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Einführung in die HLK- und Gebäudetechnik

Siemens Schweiz AGBuilding Technologies GroupInternational HeadquartersGubelstraße 22CH-6301 ZugTel. +41 41 724 24 24Fax +41 41 724 35 22

Siemens Building TechnologiesGmbH & Co. oHGFriesstraße 20DE-60388 Frankfurt/MainTel. +49 69 797 81 00 0Fax +49 69 797 81 59 0

Siemens Schweiz AGBuilding TechnologiesSennweidstraße 47CH-6312 SteinhausenTel. +41 585 579 200Fax +41 585 579 230

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Die Informationen in diesem Dokument enthalten allgemeine Beschreibungen der technischenMöglichkeiten, die im Einzelfall nicht immer vorliegen müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind daher im Einzelfall bei Vertragsschluss festzulegen.

Änderungen vorbehalten • Bestell-Nr. 0-91916-de •© Siemens Schweiz AG • Gedruckt in der Schweiz • 10705 Ni/Ah

1.1 Einleitung 7

1.2 Gebäudeschutz 8

1.3 Gebäudetechnik 10

1.3.1 Gebäudeautomatisierung 12

1.4 Gebäudearten, Verwendung und Konditionen 14

2.1 Einleitung 15

2.2 Thermodynamik (Wärmelehre) 16

2.2.1 Wärmeausdehnung fester Stoffe 21

2.2.2 Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten 23

2.2.3 Das Medium «Wasser» 24

2.2.4 Die Wärmeausdehnung der Gase 31

2.2.5 Das Medium «Luft» 34

2.2.6 Der Wärmeinhalt der Stoffe 36

2.2.6.1 Von Kilokalorie zu Kilojoule und Watt 39

2.2.7 Die Wärmeübertragung 40

2.2.8 Wärmeleitung 40

2.2.9 Wärmemitführung (Konvektion) 42

2.2.10 Wärmestrahlung 46

2.2.11 Die Mischungsregel 50

2.2.12 Die Zeitkonstante bei der Wärmeübertragung 50

2.3 Hydrodynamik (Strömungslehre) 52

2.3.1 Laminare Strömung 52

2.3.2 Turbulente Strömung 52

2.3.3 Geschwindigkeit und Druck 54

2.4 Hygienische Grundlagen 57

2.4.1 Der Wärmehaushalt des Menschen 57

2.4.2 Die behagliche Raumtemperatur 59

3.1 Einfache Heizungsanlage 64

3.2 Einteilung der Heizungssysteme 65

3.3 Wärmeerzeugung bei Warmwasser-Zentralheizungen 65

3.3.1 Öl- und Gasheizkessel 65

3.3.1.1 Heizkessel-Bauarten 65

3.3.1.2 Warmwasserversorgung mit dem Heizkessel 66

3.3.1.3 Brenner 66

3.3.1.4 Atmosphärische Gasbrenner 68

3.3.1.5 Holzgas-Vorfeuerung 69

3.3.1.6 Manuell beschickte Stückholz-Feuerung 69

3.3.1.7 Automatische Stückholz- und Schnitzelfeuerungen 70

3.3.1.8 Pellets-Heizkessel 71

3.3.2 Koks- und Kohlekessel 72

3.3.3 Sonnenenergie-Nutzung 73

3.3.3.1 Bivalente Anlage für Raumheizung und Warmwasser 73

3.3.3.2 Der Sonnenkollektor als Wärmelieferant 74

3.3.3.3 Der Solarkreislauf 75

3.3.3.4 Der Speicher 76

3.3.3.5 Solaranlagen-Beispiele 76

3.3.3.6 Netto-Wärmeertrag nach Abzug aller Verluste 77

3.3.4 Elektrische Widerstandsheizung mit Zentralspeicher 77

3.3.4.1 Feststoff-Zentralspeicher 77

3.3.4.2 Wasser-Zentralspeicher 78

3.3.5 Wärmepumpen 79

3.3.5.1 Gebräuchliche Heizsysteme 79

3.3.5.2 Arten der Umweltenergienutzung 79

3.3.6 Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) 80

3.3.6.1 Anwendungsarten der WKK 80

3.3.6.2 Blockheizkraftwerke (BHKW) 80

3.3.6.3 Mini-BHKW 84

3.3.6.4 Brennstoffzellen 85

1. Gebäudetechnik

2. Physikalische Grundlagen

3. Übersicht Heizungsanlagen

Inhaltsverzeichnis

3

3.3.7 Fernwärmeanschluss 88

3.3.7.1 Wärmequellen 88

3.3.7.2 Wärmetransport und -verteilung 89

3.3.7.3 Übergabestation 90

3.4 Wichtige Komponenten 91

3.4.1 Pumpen 91

3.4.1.1 Pumpen- und Anlagekennlinie 91

3.4.2 Stellgeräte 93

3.4.3 Abgleichdrossel 94

3.4.4 Sicherheitstechnische Ausrüstung 95

3.5 Verteiler 98

3.5.1 Verteilertypen 99

3.5.1.1 Verteiler ohne Hauptpumpe (Typ 1),

für Verbrauchergruppen in Beimischschaltung 100

3.5.1.2 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 2),

für Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder

Einspritzschaltung mit Durchgangsventil 100

3.5.1.3 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 3),

für Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder

Einspritzschaltung mit Dreiwegventil 101

3.5.1.4 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 4),

für druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss

in Beimischschaltung 101

3.5.1.5 Hydraulische Weiche 102

3.6 Verteilsysteme für Heizkörper 103

3.6.1.1 Schwerkraftsystem 103

3.6.1.2 Pumpensysteme 103

3.6.1.3 Stockwerksheizung 106

3.7 Wärmeabgabe bei Warmwasser-Zentralheizungen 106

3.7.1 Heizkörper 106

3.7.1.1 Grundsätzliches zur Wärmeabgabe 106

3.7.1.2 Einflüsse auf die Wärmeabgabe eines Heizkörpers 106

3.7.2 Fussbodenheizungen 107

3.7.3 Deckenheizung 108

3.7.4 Wandheizung 108

3.8 Zentralheizungsanlagen mit Betriebstemperaturen

über 100 °C 109

3.8.1.1 Heisswasserheizung 109

3.8.1.2 Dampfheizung 109

3.9 TABS – Thermisch aktive Bauteil-Systeme 109

4.1 Einleitung 112

4.2 Kühlung mit Oberflächenwasser 114

4.3 Kompressions-Kältemaschinen-Kreisprozess 115

4.3.1 Aufgabe des Kreisprozesses 115

4.3.2 Physikalische Zusammenhänge 116

4.3.3 Kältemittel 120

4.3.4 Der Kreisprozess 120

4.3.5 Absorptions-Kreisprozess 123

4.3.5.1 Arbeitsstoffpaare 125

4.3.5.2 Anwendung 126

4. Kältetechnik

4

5.1 Einleitung 127

5.2 Hydraulische Kreise 128

5.2.1 Hauptteile einer hydraulischen Anlage 128

5.2.2 Darstellung hydraulischer Kreise 129

5.3 Verteiler 132

5.3.1 Verteilertypen 132

5.3.1.1 Verteiler ohne Hauptpumpe (Typ 1),

für Verbrauchergruppen in Beimischschaltung 133

5.3.1.2 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 2),

für Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder

Einspritzschaltung mit Durchgangsventil 134

5.3.1.3 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 3),

für Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder

Einspritzschaltung mit Dreiwegventil 134

5.3.1.4 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 4),

für druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss

in Beimischschaltung 135

5.3.1.5 Schematische Darstellung von Verteilern 136

5.4 Hydraulische Grundschaltungen 137

5.4.1 Mengenvariable und mengenkonstante Kreise 137

5.4.2 Durchfluss- und Mischregelung 137

5.4.3 Drosselschaltung 138

5.4.4 Umlenkschaltung 139

5.4.5 Beimischschaltung 140

5.4.5.1 Beimischschaltung mit fester Vormischung 141

5.4.6 Einspritzschaltung 142

5.4.6.1 Einspritzschaltung mit Dreiwegventil 142

5.4.6.2 Einspritzschaltung mit Durchgangsventil 143

5.5 kV-Werte 144

5.6 Ventil-Kennlinien 144

5.7 Streckenkennlinie 145

6.1 Begriffs-Erklärungen (nach DIN 1946) 147

6.2 Lufttechnische Anlagenelemente 148

6.2.1 Wetterschutzgitter 148

6.2.2 Luftklappen 148

6.2.3 Luftfilter 149

6.2.3.1 Einteilung nach Filterklassen 150

6.2.3.2 Druckdifferenzen am Luftfilter 151

6.2.3.3 Filterbauarten 151

6.2.3.4 Faserfilter 152

6.2.3.5 Metallfilter 153

6.2.3.6 Aktivkohlefilter 154

6.2.3.7 Elektrofilter 155

6.2.3.8 Automatische Filter 155

6.2.4 Ventilatoren 156

6.2.4.1 Die Ventilator- und Anlagekennlinien 158

6.2.5 Lufterwärmer 161

6.2.6 Kaltwasser-Luftkühler 162

6.2.7 Direktverdampfer-Luftkühler 162

6.2.8 Befeuchter 163

6.2.8.1 Verdunstungsbefeuchter 163

6.2.8.2 Dampfbefeuchter 165

6.2.9 Entfeuchtung 166

6.2.10 Wärmerückgewinnung (WRG) 167

6.2.10.1 Arten von Wärmerückgewinnungen 167

6.2.11 DEC-Systeme 170

6.2.12 Luftauslässe 172

5. Hydraulische Schaltungen

6. Lüftungs-/Klimaanlagen

5

6.3 Klimaanlagen mit zentraler Energiezufuhr 172

6.3.1 Nur-Luft-Systeme 174

6.3.1.1 Einkanal-Anlage ohne Zonen-Nachbehandlung 174

6.3.1.2 Einkanal-Anlage mit Zonen-Nachbehandlung 175

6.3.1.3 Mehrzonen-Anlage mit Mehrzonenzentrale 176

6.3.1.4 Zweikanal-Anlagen 177

6.3.1.5 Variabel-Volumenstrom-Systeme (VVS) 180

6.3.2 Luft-Wasser-Systeme 181

6.3.2.1 Quell-Lüftung 181

6.3.2.2 Kühldecken 182

6.3.2.3 Fan-Coil Anlagen (Ventilatorkonvektoren) 183

6.3.2.4 Fan-Coil-Anlagen mit Primärluft und Induktionsanlagen 184

6.3.2.5 Wasserseitiger Anschluss von Fan-Coil und

Induktions-Anlagen 188

6.4 Einzelraum-Kompakt-Klimageräte 189

6.4.1 Fenster-Klimageräte 189

6.4.2 Truhenklimageräte 190

6.4.3 Schrankklimageräte (mit Kälteerzeugung) 191

6.4.4 Split-Klimageräte 192

6.5 Kontrollierte Wohnraumlüftung 193

6.5.1 Kontrollierte Wohnungslüftungs-Systeme 193

7.1 Einleitung 196

7.2 Das Messen 197

7.3 Das Steuern 198

7.3.1 Fachbegriffe Steuern 199

7.4 Das Regeln 199

7.4.1 Fachbegriffe Regeln (nach DIN 19226) 203

7.5 Gebäudeautomation 204

7. Mess-, Steuer- und Regeltechnik

6

Bei der Betrachtung eines Stadtbildes, erkennt man sofort, dass es aus

sehr unterschiedlichen Gebäudetypen besteht. Im Wesentlichen sind

es Häuser für den Wohnbereich, Bürogebäude (mit Läden oder auch

Wohnungen integriert – sog. Mischbauweise), Schulen,Theater, Sport-

arenen, Krankenhäuser und Fabriken.

Fig. 1-1 Gebäudestruktur einer Stadt

Alle diese Gebäude haben eine Gemeinsamkeit: sie sollen die Benutzer

vor äußeren Einflüssen schützen, Sicherheit nach innen und außen ge-

währleisten und für den Benutzer ein angenehmes Klima sicherstellen.

Die Menschen in den Industrienationen halten sich zu 95 % ihres

Lebens in Gebäuden auf. Die Qualität der Innenwelt ist deshalb für die

Gesundheit und das Wohlbefinden von entscheidender Bedeutung. Der

Stellenwert des Wohlbefindens wurde erst erkannt, als sich Klagen

über gebäudebedingte Beschwerden und Krankheitssymptome häuf-

ten. Die Gründe für das Defizit an Wohlbefinden in Innenräumen sind

vielfältig, manche sind objektiv erfassbar, aber viele «Störungen» hän-

gen auch von derTagesform jedes einzelnen und dem sozialen Umfeld

ab.

Zu den objektiven Ursachen gehören schlechte Raumluft, zu niedrige

oder zu hohe Raumtemperatur oder Feuchte, Zugerscheinungen oder

ungünstige Lichtverhältnisse.

Das menschliche Bedürfnis nach Komfort endet jedoch nicht an der

eigenen Haustüre oder am Arbeitsplatz, sondern Einkaufszentren,

Messehallen, Sportarenen, Fitnesscenter, Museen und Theater sind

Einrichtungen, wo die Akzeptanz sehr eng mit der empfundenen Raum-

luftqualität verbunden ist.

Zu unserem Wohlbefinden trägt in erheblichem Masse der individuell

empfundene Gebäude- und Raumkomfort bei.

Eine moderne Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik in Verbindung

mit einer Gebäudeautomation ist heute die Basis für eine gute

«Building Performance» also das harmonische Zusammenspiel von

Gebäudearchitektur, Anlagentechnik und Raumkomfort.

Trotz «Automatisierung» der meisten Abläufe ist die individuelle Ein-

griffsmöglichkeit durch den Menschen vorrangiges Ziel moderner

Gebäudekonzepte.

1.1 Einleitung

Gebäudearten

Raumluftqualität

Gebäudeautomation

1. Gebäudetechnik

7

Vom klimatechnischen Standpunkt aus betrachtet, wirkt die Gebäude-

hülle als Puffer zwischen dem geregelten Raumklima und den äusseren

Umwelteinflüssen der Jahreszeiten wie Temperaturdifferenzen (+/–),

Sonnenstrahlung, Wind, Regen, Frost und Schnee.

Speziell zu beachten sind dabei auch die möglichen Kombinationen

dieser Einflüsse wie Wind und Regen, Sonnenstrahlung und Hitze oder

Sonnenstrahlung und Kälte.

Auf diese witterungsbedingten Einflüsse muss die Konstruktion der

Gebäudehülle ausgerichtet sein und mit Hilfe der Gebäudetechnik rea-

gieren können. Je nach Standort muss die Gebäudehülle zusätzlich vor

Lärmbelästigungen durch Strassen-, Bahn- oder Flugverkehr und even-

tuell auch vor Industrielärm schützen.

Fig. 1-2 Äussere und innere Einflüsse auf ein Gebäude

Weiter wünschen die Bewohner oder Benutzer eines Gebäudes Schutz

vor unerwünschtem Zutritt oder unberechtigtem Zugriff auf ihre Sach-

werte.

Eine weitere, sehr wichtige Funktion der Gebäudehülle ist schliesslich

die ausreichende Resistenz gegen Brandeinwirkung.

Die umweltpolitische Forderung nach sparsamem Energieverbrauch

zum Heizen oder Kühlen eines Gebäudes führte in der ersten Phase zur

wesentlichen Verbesserung der Wärmedämmung in der Gebäudehülle,

aber gleichzeitig auch zur rein stationären Betrachtungsweise des Wär-

medurchganges durch die Gebäudehülle. Die Wärmedurchgangszahl

(k-Wert) ergibt zwar den spezifischen Energieverlust, sagt jedoch nichts

aus über das Wärmespeicherverhalten der Gebäudehülle, das – bei

gezielter Nutzung – ein ganz erhebliches Energiesparpotential enthält.

Geht man beispielsweise von der statistisch belegten Tatsache aus,

dass die mittlere Tagestemperatur im Schweizerischen Mittelland nie

über +22 °C steigt, muss man auf die Idee kommen, die hohen Tages-

temperaturen mit den kühlen Nachttemperaturen zu kompensieren. In

modernen Geschäfts- oder Schulhäusern, die nachts nicht belegt sind,

kann man durch Zwangslüftung mit kühler Nachtluft, die Gebäudehülle

auch von innen her abkühlen. Bei ausreichend dimensionierten Spei-

chermassen (Beton, Mauerwerk) bleibt dann das Gebäude im Inneren

während der heissesten Tageszeit noch angenehm kühl, ohne zusätz-

liche Kühlanlagen. Dieser Kühleffekt kann noch durch Sonnenstoren

unterstützt werden, die die ganze Aussenfassade (nicht nur die Fens-

ter!) vor direkter Sonnenbestrahlung schützen.

1.2 Gebäudeschutz

Klimaschutz

Sicherheit

Energie

8

Wir erkennen bereits die «technischen Einrichtungen» welche je nach

Gebäudeart und Verwendung ebenfalls unterschiedlich sind oder sein

können.

Fig. 1-3 Technische Einrichtungen in einem Gebäude

9

Gebäude beinhalten umfangreiche technische Infrastrukturen, deren

Komplexität stetig zunimmt. Unter dem Begriff Gebäudetechnik oder

der (nach DIN) genormten Bezeichnung Betriebstechnische Anlagen

(BTA) in Gebäuden versteht man alle fest installierten technischenEinrichtungen inner- und ausserhalb der Gebäude, die demfunktionsgerechten Betrieb und der allgemeinen Nutzung dieserBauten dienen.

Weil die Bezeichnung Betriebstechnische Anlagen «BTA» zu Verwechs-

lungen mit industriellen Produktionsanlagen führte, hat man die

Bezeichnung Technische Gebäude-Ausrüstung «TGA» eingeführt. Im

Wesentlichen umfasst die Gebäudetechnik folgende Anlagen und

Installationen:

• Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen

• Wärmerückgewinnungs-Anlagen

• Energieversorgung und -verteilung

• Allgemeine Gebäudebeleuchtung

• Jalousie- (Storen) Anlagen

• Personen-Transportanlagen (Lifts, Rolltreppen)

• Automatische Türen und Tore

• Sicherheitsanlagen (Brand, Einbruch)

• Druckluftanlagen

• Sanitäre Anlagen und Installationen

• Entsorgungsanlagen für Abwasser, Abgase, Abfälle etc.

Dem Zusammenwirken und der gegenseitigen Beeinflussung einzelner

Systeme kommt dabei eine wachsende Bedeutung zu. Insbesondere

wird die Gebäudehülle nicht mehr als gegebenes, starres Objekt behan-

delt, sondern dynamisch den unterschiedlichen Betriebszuständen der

Gebäudetechnik angepasst.

Je nach Zweck der HLK-Anlagen können ihre Aufgaben in zwei Teil-

bereiche unterteilt werden:

a. unter der Bezeichnung Komfortanlagen sind alle Anlagen

zusammengefasst, die in unseren Wohnhäusern, Büros, Schulen,

Krankenhäusern, Restaurants, Kinos,Theatern, Kaufhäusern usw. ein

behagliches, die Gesundheit und Leistungsfähigkeit der Menschen

förderndes Raumklima schaffen und automatisch aufrechterhalten.

b. unter der Bezeichnung Industrieanlagen sind alle Anlagen

zusammengefasst, die ein Raumklima oder einen Raumzustand

erzeugen und aufrechterhalten, um bestimmte Produktionsabläufe,

Lager- oder Reifeprozesse sicherzustellen.

Nicht dazu gezählt werden jedoch Produktionsanlagen aller Art,

sowie technische Einrichtungen, die für irgendwelche Arbeits-

prozesse direkt benötigt werden.

1.3 Gebäudetechnik

BTA und TGA

Aufgaben der HLK-Anlagen

Komfortanlagen

Industrieanlagen

10

Eine konstante, behagliche Raumtemperatur während der ganzen Heiz-

periode zu schaffen, ist das Ziel der Heizungstechnik. Sie erzeugt das

Heizwasser für die Raumheizung und in den meisten Anlagen auch für

das Brauchwarmwasser. Die Heizungstechnik eines Gebäudes umfasst

die Bereiche: Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung und Wärmeabgabe.

Die Wärmeerzeugung ist ein sehr komplexerTeilbereich der Heizungs-

technik. Neben den konventionellen, mit Öl, Gas, Holz oder Kohle

befeuerten Heizkesseln werden auch Wärmepumpen, Blockheizkraft-

werke, Sonnenenergie oder Kombinationen der genannten Wärme-

erzeuger (Bivalente Wärmeerzeugung), nebst Fernwärme-Übergabe-

stationen zur Wärmeerzeugung eingesetzt.

Eng verknüpft mit der Heizungstechnik ist die Sanitärtechnik.

Ihr Aufgabengebiet ist die Lufterneuerung, vor allem in Fabrikations-

räumen oder in Kinos,Theatern, Restaurants usw. also in Bauobjekten,

in denen die Luft schnell verbraucht oder verunreinigt wird. Während

der Heizperiode muss dabei die Raumtemperatur, trotz Frischluftzufuhr,

auf dem gewünschten Wert gehalten werden. Dazu dienen Lufterhitzer,

die überwiegend mit Warmwasser, aber auch elektrisch oder mit Dampf

beheizt werden.

Unser Wohlbefinden und unsere Leistungsfähigkeit werden nicht nur

durch die Raumtemperatur beeinflusst, sondern ebenso durch die

Feuchte, Reinheit und Frische der Luft, also durch ein auf unseren Orga-

nismus und unser Empfinden möglichst genau abgestimmtes Raumkli-

ma. Mit einer Klimaanlage können diese Faktoren beeinflusst werden.

Die Luftaufbereitung erfolgt durch Lufterhitzer, Luftkühler und Luftbe-

feuchter. Das Arbeitsgebiet der Klimatechnik erstreckt sich heute von

der Klimatisierung von Einzelräumen und Wohnhäusern bis hin zu den

Grossanlagen wie zum Beispiel in Bürogebäuden, Einkaufszentren,

Flughäfen etc.

Alle Anlagen sollen oder müssen immer unter bestmöglicherAusnützung der Energie und automatisch funktionieren.

Das Wohlbefinden in Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen

muss heute nicht mehr teuer erkauft werden. Wärmerückgewinnungs-

systeme, Fassadenkühlung, Betonkerntemperierung (Geothermie),

Beschattung, Solarenergie (Photovoltaik) gehören fast schon zur Stan-

dardausrüstung in der Gebäudetechnik.

Heizungstechnik

Lüftungstechnik

Klimatechnik

Energiekosten bestimmen

die Regelstrategie

11

Je nach Zweckbestimmung eines Gebäudes können unterschiedliche

Anforderungen an die Gebäudetechnik gestellt werden. Grundsätzlich

ergeben sich aber immer wieder die folgenden drei übergeordneten

Forderungen:

1. Die Bedürfnisse des Menschen nach Wohlbefinden und Behaglich-

keit innerhalb der Gebäudehülle, ausgerichtet auf die spezifischen

Nutzungsarten sollen – unabhängig von äusseren Einflussgrössen –

ausreichend erfüllt werden.

2. Ein dem Gefahrenpotential angemessener Schutz der Bewohner

und Benutzer sowie auch der Sachwerte, vor Elementarschäden

durch Feuer oder Wasser, vor technischen Schäden oder vor Über-

griffen durch Drittpersonen soll gewährleistet sein.

3. Diese Anforderungen sollen mit tragbaren Investitionen und minima-

len Folgekosten für Energie, Bedienung, Instandhaltung und Kapital-

dienst erfüllt werden können.

Fig. 1-4 Das intelligente Haus

1 Beleuchtungssteuerung,

automatisch und zeitabhängig

2 Zentral- und Gruppenschaltungen

3 Fernabfrage, Fernsteuerung

4 Fensterkontakte

5 Bewegungsmelder

6 Hausaußenüberwachung

7 Windstärke (Schutz z.B. von Markisen)

8 Außensirene mit Blitzlicht

9 Riegelschaltkontakt

10 Steckdose, abschaltbar

11 Regenfühler, automatisches Schließen

der Dachfenster

12 Wassersensor

13 Heizungsstellantriebe

14 Sonnenstandsabhängige

Jalousiesteuerung

15 Raumtemperaturregelung

16 Brennwert-Therme mit EIB-Anschluss

17 Außentemperaturfühler

18 Solarthermische Anlage/Photovoltaik

anbindbar an der EIB

19 Rollladen, Jalousie- und Markisen-

steuerung

20 IR-Fernbedienung

21 Bedienung konventionell oder über

EIB-Taster

22 Haussprechanlage mit Videokamera

23 TV-Gerät zum Beobachten und

Bedienen der Anlage

24 Herd

25 Geschirrspüler

26 Waschmaschine

11

7

1

6

4

3

5

12

10

9

8

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4

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23

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BusleitungStromleitung (230 V)

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2

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24

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26

BusleitungStromleitung (230 V)BusleitungStromleitung (230 V)

2

1.3.1 Gebäudeautomatisierung

Das intelligente Haus

12

Intelligenz in Gebäuden, kann man grob nach folgenden Kriterien

einteilen:

(Zuordnung der Kriterien entsprechen der Nummerierung in Fig. 1-4)

• Sicherheit 1–12

• Energieersparnis 4, 13–18

• Komfort 1, 2, 3, 15, 19–23

• Hausgeräte 24–26

Zur Erfüllung dieser übergeordneten Forderungen werden die entspre-

chenden gebäudetechnischen Anlagen benötigt. Von intelligenter

Gebäudetechnik kann man dann sprechen, wenn diese technischen

Einrichtungen – bezogen auf die spezifischen Nutzenforderungen –

optimal funktionieren.

Nicht alles was technisch möglich, sondern nur was sinnvoll d.h. nutz-

bringend und umweltschonend ist, soll realisiert werden. Entscheidend

ist deshalb schon die Planungsphase, innerhalb der alle örtlichen Gege-

benheiten berücksichtigt und alle Anforderungen sorgfältig hinterfragt

werden müssen. Eine konzeptionell richtig geplante Gebäudetechnik

erfordert von den Planern ein hohes Mass an Grundkenntnissen der

bauphysikalischen, thermodynamischen, strömungstechnischen, chemi-

schen und ökologischen Zusammenhänge. Intelligente Gebäudetechnik

erfordert intelligente Planer, die fachübergreifende, integrale Planungs-

methoden beherrschen und diese konsequent anwenden.

Zur Lösung der Regel- und Steueraufgaben liefern wir nicht nur die not-

wendigen Geräte und Systeme, sondern erarbeiten dazu auch die

anwendungstechnischen Empfehlungen und unterstützen unsere Kun-

den bei der Projektierung, Inbetriebsetzung und Wartung der Anlagen.

Damit wir unseren Kunden eine kompetente Unterstützung anbieten

können, benötigen wir das entsprechende Fachwissen.

Anmerkung:Weitere Hinweise zum Thema Gebäudetechnik siehe Broschüre

«Gebäudeautomation – Begriffe, Abkürzungen und Definitionen»

ASN: 0-91900-de.

Planung der Gebäudetechnik

Gebäudeautomations-Systeme

13

14

KonditionGebäudeart Verwendung Forderung

Temperatur Feuchte Luftrate (h–1)

Flachbauten Stahl-Metallbau erträgliche

Arbeitstemperatur 18–26 °C 30–60 % 5–15 fach

Papiermaschinen erträgliche

Arbeitstemperatur 22–30 °C 40–50 %

Papierlager konstante Feuchte 20–24 °C

Druckerei konstante Feuchte 20–26 °C 45–60 %

Textil

Baumwolle, Leinen

Spinnerei konstante Feuchte 22–25 °C bis 55 %

Weberei konstante Feuchte 22–25 °C 70–80 %

Wolle Spinnerei konstante Feuchte 27–29 °C 50–60 %

Wolle Weberei konstante Feuchte 27–29 °C 60–70 %

Mehrstock- Elektro-Industrie

Gebäude Allgemein staubfrei 21–24 °C 50–55 % 5–15 fach

Relais kl.Toleranz. 22 °C 40–45 %

Isolierungen feucht bis 24 °C 65–70 %

Pharmazeutische steril, trocken

Fabrikation reine Räume 21–27 °C 30–40 %

Photo-Industrie staubfrei 20–24 °C 40–65 %

Herstellung,

Entwicklung

Lagerung v. Filmen staubfrei 18–22 °C 40–60 %

Tabak

Lagerung feucht 21–23 °C 60–65 %

Vorbereitung feucht 22–26 °C 75–85 %

Herstellung feucht 21–24 °C 55–65 %

Süsswaren

Bonbonherstellung trocken 24–27 °C 30–45 %

Schokolade-

Herstellung kühl 25–18 °C 50–60 %

Flachbauten Museen-Gemälde konstante Feuchte 18–24 °C 40–55 % 20 fach

Hallenbad Behaglichkeit 26–30 °C 60–70 % 3–4 fach

Turn- und Festhalle Behaglichkeit 22–24 °C 45 % 20 fach

Restaurant Behaglichkeit 22–26 °C 40–60 % 5–40 fach

Mehrstock- Feinmontage kl.Toleranz. 21 °C 40 %

Gebäude Näherei Behaglichkeit 22–26 °C 50 %

Verkaufshäuser 20–26 °C 45–60 % 4–6 fach

Labor. Chemie 22–24 °C 50 % 8–15 fach

Labor. Physik 22–24 °C 45 %

(20 °C konst.)

Spezial-Labor 10–40 °C 15–95 %

Schulen behaglich 22–24 °C 40–60 %

Hörsäle behaglich 22–24 °C 40–60 % 8–10 fach

Bürogebäude behaglich 22–26 °C 40–60 % 3–6 fach

Krankenhäuser steril,

Bettenräume geräuscharm 22–24 °C 40–60 %

OP-Saal steril,

geräuscharm 20–25 °C 40–65 %

Hotel-Aufenthalt behaglich 22–26 °C 40–55 % 5 fach

Hotelzimmer behaglich 22–24 °C ca. 40 % 30 fach

PS: Die Luftwechselzahlen (Luftrate m3/h) sind in der DIN 1946 Teil 2

definiert. Nach DIN 1946 ist in Räumen zum Aufenthalt mit Personen

der Aussenluftstrom nach der Anzahl der gleichzeitig anwesenden

Personen und der Nutzung der Räume zu bemessen. Bei Räumen mit

zusätzlichen, belästigenden Geruchsquellen (z.B.Tabakrauch) soll der

Mindestaussenluftstrom je Person um 20 m3/h erhöht werden.

1.4 Gebäudearten,Verwendung

und Konditionen

14

Aus dem grossen Fachgebiet der Physik behandeln wir in diesem

Kapitel die Anwendung derThermo- und Hydrodynamik, bezogen auf

den Bereich der HLK-Technik. Weiter werden wir uns auch mit den

hygienischen Grundlagen der HLK-Technik, insbesondere mit dem

Thema «Behaglichkeit» beschäftigen. Einleitend wollen wir die verwen-

deten Begriffe noch etwas erläutern:

• Thermodynamik (Wärmelehre): Teilgebiet der Physik, in dem das

Verhalten physikalischer Systeme bei Zu- oder Abführung von Wär-

meenergie und bei Temperaturänderungen untersucht wird.

Grundlage derThermodynamik sind die Hauptsätze der Wärmelehre

• Hydrodynamik:Teilgebiet der Strömungslehre, die sich mit der

Strömung dichtebeständiger (inkompressibler) Stoffe befasst, also

vor allem mit strömenden Flüssigkeiten. Strömungen mit erheb-

lichen Dichteänderungen werden in der Gasdynamik behandelt. Im

Grenzfall der ruhenden Strömung reduziert sich die Hydrodynamik

zur Hydrostatik.

Der Name «Système International d’Unités» (Internationales Einheiten-

system) und das Kurzzeichen SI wurden durch die 11. Generalkonferenz

für Mass und Gewicht im Jahr 1960 angenommen. SI-Einheiten sind die

sieben Basiseinheiten und die aus ihnen mit dem Faktor 1 abgeleiteten

Einheiten.

Einheiten.

Abgeleitete Einheiten werden durch Produkte und/oder Quotienten von

Basiseinheiten gebildet. Entsprechendes gilt auch für Einheitszeichen.

So ist z.B. die SI-Einheit der Geschwindigkeit: Meter durch Sekunde

(m/s).

Basisgrösse SI-BasiseinheitName: Zeichen:

Länge Meter m

Masse Kilogramm kg

Zeit Sekunde s

Elektrische Stromstärke Ampere A

Absolut-Temperatur

und Temperaturdifferenz Kelvin K

Stoffmenge Mol mol

Lichtstärke Candela cd

2.1 Einleitung

SI-Einheiten

2. Physikalische Grundlagen

15

Wärme entsteht beispielsweise dann, wenn eine Raumkapsel mit

fast 40 000 km/h wieder in die Erdatmosphäre eintaucht. 2000 bis 3000

°C, erzeugt vom Zusammenprall der Luftatome mit dem Hitzeschild!

Wärme entsteht also durch Reibung und ist in diesem Fall Vernichtung

von Bewegungsenergie. In jedem Stück Materie, sei es ein fester Kör-

per, eine Flüssigkeit, oder ein Gas, sind die Atome oder Moleküle

immer in Bewegung d.h. in Schwingung (Fig. 2-1). Da sie aber sehr

«eng gepackt» sind, kommt es zwischen ihnen fortwährend zu

Zusammenstössen, und jeder Zusammenstoss erzeugt Wärme, und

zwar die Wärme, die wir als Temperatur des Stoffes messen.

Fig. 2-1 Bewegungsenergie der Atome und Moleküle

Halten wir ein Stück Metall über eine Flamme, so regen wir seine

Atome thermisch an. Die Atome geraten dadurch in stärkere Schwin-

gungen: die Zusammenstösse werden heftiger und das Metall wird

wärmer. Dabei dehnt es sich aus, denn die schwingende Eigenbewe-

gung der Atome hebt einen Teil ihrer gegenseitigen Anziehungskräfte

auf. Erhitzen wir weiter, so löst sich schliesslich das ganze Ordnungs-

gefüge auf: Das Metall schmilzt, und einzelne Atome schiessen sogar

als Dampf oder, genauer gesagt, als Gas aus der Flüssigkeitsoberfläche

heraus.

Hier haben wir bereits die drei thermodynamischen Aggregatzustände

kennen gelernt:

• fest

• flüssig

• gasförmig

Bei diesem Schwingen der Atome oder Moleküle, diesem pausenlosen

Zusammenprallen dieser kleinsten Bausteine der Stoffe, findet aber

noch ein anderer Vorgang statt, den wir ebenfalls als Wärme empfinden.

Einzelne Elektronen, die die Atomkerne ständig umkreisen, werden bei

den «Kollisionen» der Atome plötzlich aus ihrer normalen Bahn auf eine

weiter nach aussen liegende Bahn geschleudert (Fig. 2-2). Dort fühlen

sie sich aber nicht «wohl». So schnell wie möglich springen sie deshalb

in stufenweisen Sätzen auf ihre normale Bahn zurück. Und da keine

Energie verloren geht, geben sie so viel Energie, wie notwendig war,

um sie herauszuschleudern, bei der Rückkehr wieder als elektromagne-

tische Strahlung ab.

Trifft diese Strahlung auf andere Atome oder Moleküle, z.B. in unserer

Haut, so versetzt sie diese in stärkere Schwingungen, was sich sofort in

einerTemperaturerhöhung äussert. Diese aus der Wärme geborene und

Wärme bewirkende Strahlung bezeichnen wir als Wärmestrahlung oder

Infrarotstrahlung. Sie ist für das menschliche Auge nicht sichtbar.

2.2 Thermodynamik (Wärmelehre)

Wie entsteht Wärme?

Zustandsänderung

Strahlung

16

Strahlung ermöglicht die Abgabe von Wärme, ohne materielle Träger,

zwischen Wärmequelle und angestrahltem Körper. So wird z.B. Energie

von der Sonne durch Strahlung auf die Erde übertragen.

Jeder warme Stoff gibt also ständig Wärmestrahlung ab. Auch das

Stück Metall, das wir erhitzten und auch die Flamme, mit der wir es

erhitzten. Nehmen wir die Flamme weg, dann werden die Schwingun-

gen der Atome sofort schwächer, die Temperatur fällt und die Wärme-

strahlung wird geringer. So wie die Flamme das Metall thermisch

anregte, so regt nun das erwärmte Metall seine kältere Umgebung

thermisch an, also z.B. die Umgebungsluft und die Zange, mit der es

festgehalten wird. Bei diesem Prozess verliert das Metall solange seine

innere Energie, bis seine Temperatur im Gleichgewicht mit der Umge-

bungstemperatur ist. Seine Atome sind dann aber keineswegs in Ruhe,

sondern schwingen weiter mit der Energie, die dieserTemperatur ent-

spricht.

Fig. 2-2 Elektromagnetische Strahlung durch Rückkehrenergie der Elektronen

Die Darstellung dieser Vorgänge, das Schwingen und Zusammenprallen

der Atome und das Springen der Elektronen von Bahn zu Bahn, lässt

uns nun die Hauptsätze der Wärmelehre leichter verstehen.

In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energienkonstant. Energie kann weder verloren gehen, noch aus Nichtsentstehen, sondern nur in eine andere Energieform umgewandeltwerden.

(Formelzeichen W) Auch Bewegungsenergie oder Wucht, ist diejenige

mechanische Energie, die ein Körper auf Grund seiner Bewegung

besitzt.

Die Bindungsenergie eines Atomkerns (im eigentlichen Sinn), ist die bei

Kernreaktionen frei werdende bzw. nutzbar gemachte Energie. Groß-

technisch wird bis heute nur die bei Kernspaltungsprozessen freiwer-

dende Energie in Kernkraftwerken genutzt. In einem Atomreaktor er-

folgt der Aufprall der Atomkernteilchen auf das nicht spaltbare Material

mit sehr hoher Geschwindigkeit.

Ist die durch Elektrizität erzeugte mechanische Energie. In den Wärme-

kraftmaschinen wird aus Wärme mechanische oder elektrische Energie

erzeugt.

1. Hauptsatz der Wärmelehre

Kinetische Energie

Kernenergie

Elektromechanische Energie

17

Oder Lageenergie (Formelzeichen εpot) ist diejenige Energie, die ein Kör-

per,Teilchen u.a. aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld, oder aufgrund

seiner Lage zu – in Wechselwirkung mit ihm befindlichen – Körpern

oderTeilchen seiner Umgebung besitzt. Potentielle Energie haben z.B.

ein hochgehobener Körper, eine gespannte Feder, oder ein Stausee in

den Bergen. Aus der Wasserkraft wird elektrische Energie, aus dieser

wiederum Elektrowärme, Motorenkraft oder Licht.

Aus Licht wird durch Photosynthese der Atome und Moleküle organi-

scher Stoff, d.h. chemische Energie, die im Verbrennungsprozess wie-

der frei wird als Wärme, Licht und Kraft.

Mechanische Arbeit kann in Wärme umgewandelt werden.Die Rückverwandlung von Wärme in mechanische Arbeit ist nurteilweise möglich. Es gibt dabei immerVerluste.

Wärme entsteht also bei Umwandlungsprozessen und ist gleichzeitig

eine Form von Energie.

Wärme kann niemals von selbst von einem Körper niedererTemperatur auf einen Körper höhererTemperatur übergehen.

Ein warmer Körper regt einen kühleren sofort thermisch an, verliert

dabei selbst innere Energie. Damit ist gleichzeitig der Richtungscharak-

ter aller Wärmevorgänge ausgedrückt:

Alle Wärmeübergangsprozesse verlaufen stets vom warmen zumkalten Medium!

Die Abkühlung, die wir spüren, ist niemals ein Kälteübergang, sondern

immer der Wärmeverlust unseres Körpers!

Die Temperatur ist neben dem Druck, der Dichte und dem spezifischen

Volumen, das Mass für den thermischen Zustand. Das Schwingen der

Atome in jedem warmen Stoff zeigt uns aber auch, dass die niedrigste

Temperatur, der absolute Nullpunkt, dann erreicht sein müsste, wenn

die Atome ganz zur Ruhe gekommen sind, also nicht die geringste

Schwingung mehr vollführen.

Praktisch ist dieser Punkt jedoch nicht zu erreichen, da ja die kleinste

Wärmemenge genügt (z.B. aus dem Behälter oder sogar aus dem Ther-

mometer!), um die Temperatur eines Stoffes zu erhöhen.

Die relativen Temperaturskalen (dazu gehören die Celsius- und die

Fahrenheit-Skala) gehen von temperaturabhängigen Stoffeigenschaften

wie z.B. dem Gefrierpunkt und dem Siedepunkt des Wassers aus.

Celsius-Skala, vom schwedischen Astronomen Anders Celsius 1742

eingeführte Temperaturskala. (*1701, †1744)

Zur Erfassung von Temperaturwerten (z.B. Raum- oder Aussentempera-

tur) wird im täglichen Umgang meistens die Celsius-Skala angewendet.

Eichpunkte sind: 000 °C = Schmelzpunkt des Eises

100 °C = Siedepunkt des Wassers

bei normalem Luftdruck von 1,013 bar.

Potentielle Energie

2. Hauptsatz der Wärmelehre

Temperatur

Celsius

18

Die absolute Temperatur T basiert auf dem absoluten Nullpunkt nach

Kelvin und beträgt –273,15 °C. Sie wird in der Physik mit der Mass-

einheit Kelvin angegeben. Kelvin, engl. Physiker (*1824, †1907)

Bezogen auf die Celsiusskala sind 0 °C = 273 K und dementsprechend

n K = 273,15 + n °C = absolute TemperaturT in Kelvin

Auch Temperaturdifferenzen Δ� (delta theta) werden in Kelvin angege-

ben. Die Erfassung derTemperatur erfolgt durch Wärmedehnung von

festen Stoffen (vor allem von Metallen), Flüssigkeiten (z.B. Alkohol im

Thermometer) oder durch Veränderung von elektrischen Widerständen

(siehe Thema «Messtechnik»).

Fig. 2-3 Temperaturskalen

100

50

0

- 50

- 100

- 150

- 200

- 250

ϑ ° C K400

350

300

250

200

150

100

50

0

T

200

250ϑ ° F

150

100

50

0

- 50

- 100

- 150

- 200

- 250

- 300

- 350

- 400

- 450

Kelvin

19

Nullpunkte: 0 °C = 273,15 K = 32 °F

Grad Celsius in Grad Kelvin: K = °C + 273,15

Grad Celsius in Grad Fahrenheit: °F = °C * 1,8 + 32

T[°C] = 5/9 * (T[°F] - 32) / 0,55 * (T[°F] - 32)

T[°C] = 9/5 * (T[°C] + 32) / 1,8 * (T[°C] + 32)

Beispiel: 10 °C ’283,15 K ’50 °F

Beim Rechnen mit Temperaturen, aber auch in Berichten, Mitteilungen

und Aufsätzen bezeichnen wir eine bestimmte Temperatur mit dem

griechischen Buchstaben � (sprich «theta»).

Also z.B. � = 7 °C. Häufig wird dafür auch t = 7 °C geschrieben.

Wenn man es nur mit Temperaturen zu tun hätte, wäre das zulässig.

Sobald aber die Zeit ‘t’ bei den jeweiligen Überlegungen, Formeln oder

Berechnungen hinzukommt, wird die Verwechslungsgefahr gross.

Müssen wir verschiedene bestimmte Temperaturen bezeichnen, so

erhält das � einen Indexbuchstaben, meist den Anfangsbuchstaben des

unterscheidenden Begriffs:

�RA (theta Raum), �AU (theta Aussentemperatur)

Unterschiedliche Temperaturen in einem Raum, einem Boiler oder auf

einer Fläche werden nummeriert (Fig. 2-4).

Die mittlere Temperatur aus diesen Temperaturen bezeichnen wir

mit �m.

Eine Temperaturdifferenz, wird mit Δ� (delta theta) in Kelvin bezeichnet.

Fig. 2-4 Nummerierung unterschiedlicherTemperaturen im gleichen Objekt

ϑA

ϑE

ϑ4

J5ϑ3

ϑ2

ϑ1

ϑ1

ϑ3

ϑ4ϑ5

ϑ2

ϑm

Vergleich und Umrechnung

der verschiedenen Skalen

20

Alle Stoffe, ob fest, flüssig oder gasförmig, dehnen sich bei Erwärmung

(Energiezufuhr) aus. Der Betrag der Ausdehnung ist jedoch unterschied-

lich. Diese Wärmeausdehnung erfolgt mit gewaltiger Kraft. Brücken bei-

spielsweise müssen deshalb gleitend gelagert werden und Dehnfugen

besitzen, damit sie im Winter nicht reissen und im Sommer nicht ihre

Widerlager zerstören.

Sehen wir uns zuerst einmal an, wie stark und wie unterschiedlich sich

ein Stahlstab von 1 m Länge und ein Kupferstab gleicher Länge bei

Erwärmung ausdehnen.

Wärmeausdehnung von Stahl und Kupfer

Wir erkennen bereits, dass sich verschiedene Materialien auch unter-

schiedlich ausdehnen und zwar nach der Längenausdehnungszahl �.

Unter der Längenausdehnungszahl versteht man die Zunahme der Län-

geneinheit eines Körpers bei 1K Temperaturerhöhung. Diese Zahl ändert

leicht mit derTemperaturzunahme. In der Praxis wird jedoch mit festen

Mittelwerten gerechnet.

Fig. 2-5 Wärmeausdehnung eines Heizkörpers aus Stahl

Ein Heizkörper aus Stahl von 5 m Länge dehnt sich demnach bei einer

Erwärmung von 50 K um ca. 0,6 mm pro Meter, d.h. rund 3 mm aus

(Fig. 2-5). Das ist schon ein kleiner «Weg», den der Heizkörper im Win-

ter jeden Morgen macht, wenn die Heizungsanlage vom reduzierten

Nachtbetrieb wieder auf volle Leistung geht, und er dabei innerhalb

weniger Minuten um 50 K wärmer wird.

5000 mm 20 °C

5003 mm 70 °C

+ 3 mm /50 °C

Körper � mm Körper � mm

Eisen (Fe) 1,23 Platin (Pt) 0,9

Aluminium (Alu) 2,38 Kupfer (Cu) 1,65

Temperaturdifferenz Eisen Kupfer

–100 °C 0 °C + 1,67 mm +2,65 mm

0 °C 100 °C + 1,20 mm +1,65 mm

100 °C 200 °C + 1,31 mm +1,73 mm

200 °C 300 °C + 1,41 mm +1,77 mm

300 °C 400 °C + 1,52 mm +1,92 mm

2.2.1 Wärmeausdehnung fester Stoffe

Wärmeausdehnung

Längenausdehnung

21

Kann der Heizkörper in seinen Halterungen nicht zügig gleiten, so erge-

ben sich bei seinem «Längerwerden» die berüchtigten Knackgeräu-

sche. In schlecht geregelten Anlagen, in denen die Heizkörpertempera-

tur dauernd schwankt, kann es sogar den ganzen Tag über «knacken».

Die Wärmeausdehnung der Stoffe bereitet den Technikern aber nicht

nur Schwierigkeiten, sie wird auch technisch ausgenützt:

Beim Bimetall sind 2 Metalle unterschiedlicher Längenausdehnung mit-

einander verlötet (Fig. 2-6). Wird dieses «Sandwich-Metall» (1) erwärmt,

so muss es sich zwangsläufig krümmen, da die eine Seite sich ja stär-

ker ausdehnt als die andere. Und je länger das Bimetall und je höher die

Temperatur, um so stärker die Krümmung. Kreis oder spiralförmig

geformt, mit einem Zeiger versehen und entsprechend geeicht, wird

das Bimetall dann zu einem Bimetall-Thermometer (2), mit einem Kon-

takt ausgerüstet zu einem thermischen d.h. temperaturabhängigen

Schalter (3–4).

Fig. 2-6 Bimetall Anwendungen

1 Arbeitsweise Bimetall-Streifen 3 Bimetall-Schalter

2 Bimetall-Thermometer 4 Bimetall-Zeitschalter mit Heizwiderstand

Solche Bimetall-Schaltsysteme werden in derTechnik viel verwendet:

In einfacher Ausführung als Sicherheitsschalter gegen Übertemperatur

(z.B. in Motorwicklungen oder im Motorschutz), in hochwertiger Aus-

führung mit einstellbarem Schaltpunkt aIs Temperaturregler oder soge-

nannte «Thermostate». Das temperaturempfindliche Bimetall wird in

diesen Regelgeräten als Bimetall-Fühler bezeichnet.

Wenn wir nun einen Bimetallstreifen, der beispielsweise bei 20 °C

völlig gerade sei, plötzlich einerTemperatur von 50 °C aussetzen, so

beginnt er sich zwar sofort zu krümmen, der Krümmungsvorgang ist

aber erst dann abgeschlossen, wenn sich das ganze Bimetall-Element

auf 50 °C erwärmt hat. Unter gleichen Voraussetzungen wird dafür

immer die gleiche Zeit gebraucht. Damit eignet sich das Bimetall zur

Konstruktion von Zeitschaltern (4), die einen Vorgang, je nach Anwen-

dungsfall, zeitverzögert oder beschleunigt ein- oder ausschalten. Zur

Beschleunigung des Schaltvorganges wird das Bimetall durch einen

kleinen elektrischen Heizwiderstand zusätzlich beheizt.

Den Temperaturreglern mit Bimetallfühler verwandt sind die Regler mit

Stabausdehnungsfühler. Rohr und Stab bestehen auch bei dieser Kon-

struktion aus zwei Metallen, die sich unterschiedlich ausdehnen. Durch

die Längendifferenz bei der Erwärmung wird das Schaltsystem betätigt.

Temperaturregler mit Stabfühler (auch Tauchfühler genannt) verwendet

man vorzugsweise zurTemperaturregelung von Flüssigkeiten oder

Gasen in Speichern, Boilern, Rohrleitungen usw. Während das Medium

den Fühler allseitig umspülen kann, so dass er schnell die Temperatur

des Mediums annimmt, bleibt der Schaltkopf ausserhalb des Behälters.

Hier ist er gut zugänglich und auch vor zu starker Erwärmung geschützt.

1 2 3 4

ϑϑ

Bimetalle

22

Der molekulare Zusammenhang von Flüssigkeiten ist kleiner als der von

festen Stoffen: Flüssigkeiten dehnen sich daher bei Erwärmung stärker

aus. Aber wie die festen Stoffe, so haben auch die flüssigen einen

unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und dehnen sich pro K bei

hohen Temperaturen ebenfalls stärker aus als bei niedrigen.

Bei Flüssigkeiten und Gasen beträgt die Raumausdehnung beikonstantem Druck

� (Beta) [1/K]

Die Wärmeausdehnung der Flüssigkeiten wird wiederum bei den Ther-

mometern und bei der Konstruktion temperaturabhängiger Schalter

technisch ausgenützt (Fig. 2-7).

Im Thermometer (1) dehnt sich die Flüssigkeit in der Kugel bei Erwär-

mung aus und steigt dadurch in der Kapillare hoch. Will man die Tempe-

ratur von Flüssigkeiten exakt messen, so muss das ganze Thermome-

ter, einschliesslich «Faden» in die Flüssigkeit eintauchen, da ja auch der

Faden selbst sich noch ausdehnt.

Fig. 2-7 Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten

1 Thermometer

2 Flüssigkeitsausdehnungsfühler

3 Thermisches Ventil

Im Prinzip ähnlich aufgebaut sind die thermischen Schalter, die Tem-

peraturregler mit Flüssigkeitsausdehnungsfühler (2). Fühler, Kapillarrohr,

Metalldose und Membrane sind mit Öl gefüllt. Dehnt sich das Öl

bei Erwärmung aus, so wird die Membrane nach oben gedrückt und

betätigt das Schaltsystem.

Statt eines elektrischen Schalters kann die Membrane auch ein Ventil

betätigen.

Wir haben dann ein temperaturabhängig gesteuertes Ventil (3).

1 2 3

Flüssigkeit � 10-3/K Flüssigkeit � 10-3/K

Benzin 1,20 Wasser (20…70 °C) 0,20…0,59

Heizöl EL 0,7 Toluol 1,08

2.2.2 Wärmeausdehnung

von Flüssigkeiten

Raumausdehnung

23

Wie alle Flüssigkeiten, so dehnt sich auch das Wasser aus. Während

sich die anderen jedoch vom Schmelzpunkt aus, mit jedem K Tempera-

turerhöhung immer stärker ausdehnen, zieht sich Wasser von 0 bis 4 °C

erst einmal zusammen und beginnt erst danach, sich normal zu verhal-

ten, d.h. sich auszudehnen (Die Anomalie des Wassers).

Volumenänderung von Wasser in Abhängigkeit derTemperatur

Diese Tabelle zeigt uns aber auch, in wie starkem Masse sich das Was-

ser in einer Zentralheizungsanlage ausdehnt. Nehmen wir an, dass sich

im Kessel, in den Rohrleitungen und in den Heizkörpern gerade 1000 L

von 20 °C befinden und dass diese Anlage im Winter sehr oft mit Was-

ser von 70 °C betrieben wird.

Das ergibt eine Volumenvergrösserung von 21 Litern!

Diese 21 Liter müssen irgendwo aufgefangen werden, sonst platzt die

Anlage. Jede Warmwasser-Zentralheizung hat dafür ein Ausdehnungs-

gefäss.

Wenn sich nun das Wasser so stark ausdehnt, wird es ja auch dement-

sprechend leichter (spezifisch leichter) weil sich seine Dichte ρ (rho)

[kg/m3] ändert.

1000 kg Wasser

–1 °C ca. 1090,0 Liter

0 °C 1000,2 Liter

2 °C 1000,1 Liter

4 °C 1000,0 Liter

10 °C 1000,4 Liter

20 °C 1001,8 Liter

30 °C 1004,4 Liter

40 °C 1007,9 Liter

50 °C 1012,1 Liter

60 °C 1017,1 Liter

70 °C 1022,8 Liter

80 °C 1029,0 Liter

90 °C 1035,9 Liter

100 °C 1043,5 Liter

2.2.3 Das Medium «Wasser»

Volumenänderung

24

Physik: (Massendichte, spezifische Masse) Formelzeichen ρ (rho), der

Quotient aus Masse und Volumen eines Körpers. Ausser vom Material

des Körpers, hängt die Dichte auch vom Druck und von derTemperatur

ab (insbesondere bei Gasen/Flüssigkeiten).

SI-Einheit der Dichte ist kg/m3

Dichte einiger fester und flüssiger Stoffe in kg/dm3 bei 20 ºC

Beispiel: 1000 l Wasser wiegen bei 20 °C = ca. 1000 kg und bei 90 °C =

ca. 965 kg. Mit der Dichte ändert auch die Auftriebskraft und da Leich-

tes auf Schwerem schwimmt, strebt warmes Wasser immer nach oben

und schichtet sich über das kältere.

Diese Schichtung spüren wir z.B. sehr deutlich beim Baden im See oder

im Meer.

Fig. 2-8 Temperaturschichtung im Warmwasserboiler

Technisch wurde diese Auftriebswirkung des warmen Wassers bei der

Schwerkraftheizung genutzt.

Beim Boiler und in jedem Kessel strebt das erhitzte (und ausgedehnte!)

Wasser so schnell nach oben, dass es dabei nur einen Bruchteil seiner

Wärme an das umliegende kalte Wasser abgibt (Fig. 2-8). So sammelt

sich oben das warme Wasser und wird dabei auch oben entnommen.

Das kalte Wasser strömt von unten nach. Die Temperaturschichtung ist

dabei so stabil, dass selbst die Wirbel des nachströmenden Kaltwas-

sers sie kaum beeinträchtigen.

Stoff Dichte kg/dm3

Aluminium 2,699

Beton 1,5–2,4

Blei 11,35

Eis (bei 0 °C) 0,917

Eisen 7,86

Gold 19,3

Holz (trocken) 0,4–0,8

Sand (trocken) 1,5–1,6

Schaumstoff 0,02–0,05

Uran 18,7

Wasser 20 °C 0,9982

Wasser (bei 4 °C) 1,000

Dichte

25

Das Bestreben des warmen Wassers, sich über das kältere zu schich-

ten, macht uns aber auch Schwierigkeiten: In Hallenschwimmbädern

z.B. können wir das warme Wasser nicht einfach durch einen Zufluss

von oben oder unten einspeisen; das ergäbe mit Sicherheit eine

Temperaturschichtung, die selbst durch die «Rührbewegung» der

Schwimmenden nur sehr langsam aufgehoben werden würde. In

einem Becken mit Temperaturschichtung ist das Messen der effektiven

Wassertemperatur sehr schwierig. Um diesen Problemen auszuwei-

chen, speist man in komfortablen Anlagen das filtrierte und erwärmte

Wasser an vielen Punkten am Boden des Beckens ein.

Die Tendenz des warmen Wassers, sich über das kältere zu schichten,

ist so stark, dass eine solche Schichtung sogar in Rohrleitungen über

lange Strecken erhalten bleibt (Fig. 2-9). Das müssen wir bei dem

Montageort von Temperaturfühlern oder Reglern in Rohrleitungen

berücksichtigen.

Fig. 2-9 Temperaturschichtung von strömendem Wasser in einer Rohrleitung

Wir haben gelernt, dass beim Zusammenprall der Atome oder Mole-

küle Wärme entsteht. Wärme ist eine Form der Energie und die Tem-

peratur eines Stoffes ist ein Mass dafür, wie heftig die «Kollisionen»

dieser kleinsten Bausteinchen sind. Wir haben ferner gesehen, dass mit

steigender Bewegungsenergie (= Temperatur) das Gefüge der Stoffe

lockerer wird, dass sie sich ausdehnen und dass schliesslich festeStoffe in den flüssigen und flüssige Stoffe in den gasförmigen Aggre-gatzustand übergehen.

Wasser hat bei 4 °C seine grösste Dichte und dehnt sich sowohl bei

Wärmezufuhr als auch bei Wärmeentzug aus. Während andere Flüssig-

keiten sich beim Erstarren zusammenziehen, dehnt sich Wasser aus

und zwar gleich um 1/11 seines Volumens (Fig. 2-10). Darum sprengt

Eis mit ungeheurer Kraft Felsen, Strassenbeläge und Hausfassaden,

aber auch Rohrleitungen, Heizkörper usw.

Fig. 2-10 Volumenzunahme von Wasser beim Gefrieren

V V

111 V

+ 10 °C 0 °C - 10 °C

ϑ1

ϑ2

ϑ1

ϑ2

ϑm

Temperatur-Schichtung

Die Anomalie des Wassers

26

In Heizungsanlagen kommen Frostschäden zumeist nur in stillgelegten

und nicht entleerten Anlagen vor oder dann, wenn im Winter die

Heizung nachts zu stark gedrosselt wird. In Lüftungs- und Klimaanlagen

dagegen gehört es zum Normalfall, dass im Winter Aussenluft von

–10 °C oder tiefer durch die mit Warmwasser gespeisten Lufterhitzer

geblasen wird. Hier gehört die Sorge für einen sicheren Frostschutz

durch eine zuverlässige Temperaturüberwachung zu unseren Aufgaben,

denn bleibt bei diesem eisigen Wind die Warmwasserzufuhr nur

für wenige Minuten aus, so kann es zu kostspieligen Frostschäden

kommen.

Wir wollen jetzt die Aggregatzustände des Wassers ein wenig näher

betrachten. Wir wissen: Wasser verdunstet. Und das hat seinen Grund

in der Eigenbewegung der Moleküle: Im Gegensatz zu festen Stoffen,

schwingen sie im Wasser nicht um feste Punkte. Dadurch können jene

Moleküle, die sich dicht an der Wasseroberfläche befinden, leicht aus

dem Wasser herausschiessen. Ein Teil von ihnen wird wieder ins Was-

ser «zurückgestossen», der andere Teil aber bleibt als unsichtbarer Was-

serdampf in der Luft. Und jedes Teilchen, das entweicht und von der

Luft fortgeführt wird, nimmt seine Verdunstungswärme mit. Spielt sich

dieser Vorgang auf unserer Haut ab, so spüren wir diese Wärmeverluste

durch Verdunstung deutlich als Kühleffekt.

Decken wir einen etwa zur Hälfte mit Wasser gefüllten Behälter zu

(Fig. 2-11), so kann die Luft die Wasserdampfteilchen nicht mehr fort-

führen, und es bildet sich nun über der Wasseroberfläche ein Wasser-

dampf-Luftgemisch, in das immer mehr Wasserteilchen verdunsten.

Bei einem geschlossenen Behälter schreitet dieser Vorgang aber nicht

endlos fort, sondern endet automatisch in dem Augenblick, in dem der

Druck des Wasserdampfes so stark auf der Wasseroberfläche lastet,

dass die Bewegungsenergie der Wasserteilchen nicht mehr ausreicht,

um die Wasseroberfläche zu durchstossen. Wir sagen dann: Die Luft ist

mit Wasserdampf gesättigt.

Fig. 2-11 Sättigungsgleichgewicht in einem geschlossenen Behälter

Erhöhen wir jedoch die Temperatur des Wassers weiter, so gewinnen

die Wasserteilchen eine höhere Bewegungsenergie und können nun

wieder die Wasseroberfläche durchstossen, solange, bis sich wieder

ein Kräftegleichgewicht einstellt. Je höher die Temperatur, desto grös-

ser wird also der Wasserdampfanteil in diesem Dampf/Luftgemisch.

Verdunsten

27

Erhitzen wir das Wasser noch stärker, so bilden sich in ihm plötzlich

Wasserdampfbläschen. Das Wasser siedet. Die Dampfbildung ist nun

also nicht mehr nur auf die Wasseroberfläche beschränkt, sondern

findet jetzt im Wasser statt. Wird das Wasser weiterhin auf Siedetem-

peratur gehalten, so verwandelt es sich vollständig in Wasserdampf, für

den der Raum im Topf nun aber nicht mehr ausreicht und der Dampf

entweicht am Deckelrand (Fig. 2-12).

Fig. 2-12 Wasserdampf braucht bei konstantem Druck mehr Volumen als Wasser

Wasser siedet bei normalem Luftdruck bei 100 °C. Was heisst nun

«normaler Luftdruck»?

Diese Definition besagt, dass dann normaler Luftdruck herrscht, wenn

in Meereshöhe das Gewicht der Luft 101325 N/m2 (oder 101,3 kPa =

1,013 bar), beträgt. D.h. eine Luftsäule von 1 m2 Querschnitt, die bis in

den Weltraum reicht hat dieses Gewicht.

Der Satz «Wasser siedet bei normalem Luftdruck bei 100 °C» besagt

also, dass die Siedetemperatur offensichtlich vom Druck über dem Was-

ser abhängt. Mit anderen Worten: Der auf dem Wasser lastende Druck

bewirkt, dass eine höhere Bewegungsenergie der Moleküle, also eine

höhere Temperatur erforderlich ist, damit das fliessende Gefüge aufge-

löst wird und das Wasser vollständig in Wasserdampf übergeht. Daraus

können wir schliessen, dass bei einem Druck, der höher ist als der nor-

male Luftdruck, auch der Siedepunkt höher liegen muss. Das ist auch

der Fall: Bei 1,5 bar (Überdruck = 0,5 bar), z.B. in einem Haushalts-

dampfkochtopf, siedet Wasser tatsächlich erst bei ca. 110 °C (Fig. 2-13).

Fig. 2-13 Luftdruck und Siedepunkt von Wasser in Abhängigkeit der Höhe

über Meeresspiegel

Der Siedepunkt von Wasser, also die Temperatur, bei der die Zustands-

änderung flüssig-dampfförmig erfolgt, ist vom Druck abhängig.

100°C

0,7 bar1 bar

1,5 bar

110°C

3 000 m ü. M.

0 m ü. M.

90°C

Siedepunkt

28

Fig. 2-14 Temperatur-Druckdiagramm für gesättigten Wasserdampf

In Fernheizanlagen kommen sehr häufig Wassertemperaturen > 100 °C

vor, was bedeutet, dass im Rohleitungsnetz ein Druck > 1 bar herr-

schen muss.

Im nächsten Schritt wollen wir überprüfen, welche Energiemengen für

die Verwandlung von Eis in Wasser und in Dampf erforderlich sind. Die

Zusammenhänge sind im Temperatur-Enthalpie-Diagramm (Fig. 2-15)

dargestellt.

Um 1 Liter Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erhitzen, brauchen wir

419 kJ.

Wir stellen fest: Bei diesem Vorgang bleibt die Temperatur nicht

konstant. Es wird also fühlbare (sensible) Wärme erzeugt.

Bei 100 °C beginnt die spontane Dampfbildung. Würden wir jetzt mit

der Wärmezufuhr aufhören, so würde die Wassertemperatur sofort

sinken und die Dampfentwicklung damit enden. Um 1 Liter Wasser

vollständig in Dampf zu verwandeln, müssen wir also solange Wärme

zuführen, bis kein Wasser mehr vorhanden ist. Und dazu brauchen wir

nochmals 2257 kJ, also mehr als 5 mal die Wärmemenge, die wir

brauchten, um das Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erhitzen.

29

Wir stellen fest: Bei diesem Vorgang bleibt die Temperatur konstant.

Es wird dabei also keine fühlbare (latente) Wärme erzeugt, aber der

Aggregatzustand ändert sich vom flüssigen zum gasförmigen.

Fig. 2-15 Temperatur-Enthalpie-Diagramm für Wasser bei Luftdruck = 1013 mbar

Da theoretisch keine Energie verloren geht, ist in 1 kg Dampf von

100 °C also eine Wärmemenge von 419 + 2257 kJ = 2676 kJ enthalten!

Dieser Dampf hat nun also einen Wärmeinhalt (Enthalpie) von

2676 kJ/kg.

Um 1 kg Eis von 0 °C in 1 Liter Wasser von 0 °C zu verwandeln benö-

tigen wir 335 kJ. Wir stellen fest, dass bei diesem Vorgang die Tempe-

ratur ebenfalls konstant bleibt. Es wird dabei wieder keine fühlbare

(latente) Wärme erzeugt, aber der Aggregatzustand ändert sich vom

festen zum flüssigen.

Die Zustandsänderung des Wassers kann in verschiedenen Diagram-

men dargestellt werden.

In Fig. 2-15 ist die Abhängigkeit derTemperatur von der Wärmezufuhr,

bei konstantem Druck, aufgezeichnet. Man erkennt daraus deutlich die

Bereiche der sensiblen und latenten Wärmeübertragung. Durch die

Wärmezufuhr wird der Wärmeinhalt d.h. die Enthalpie h des Wassers

erhöht.

Das Druck-Temperatur- oder Druck-Enthalpie-Diagramm, sowie die Was-

ser-/Dampf-Tafel sind weitere Möglichkeiten diese Zusammenhänge

darzustellen (siehe Anhang).

Wird einem Stoff Wärme zugeführt (z.B. durch einen Brenner oder ein

elektrisches Heizelement), so zeigt sich zunächst die fühlbare, am Ther-

mometer ablesbare Erwärmung.

Beim Schmelzen resp. Verdampfen wird Wärme zugeführt, ohne dass

die Temperatur ansteigt, bis der betreffende Stoff die Zustandsänderung

vollständig durchgemacht hat.

Summe von sensibler und latenter Wärme. Bei Prozessen mit erheb-

lichen Druck- und Volumenänderungen (z.B. Kompression) kommt noch

das mechanische Arbeitsvermögen (potentielle Energie) des Mediums

hinzu (Masseinheit [kJ/kg]).

Mit Ausnahme des sonderbaren Verhaltens unter 4 °C gilt alles, was wir

vom Wasser sagten, auch für andere Flüssigkeiten, nur hat jede Flüssig-

keit eben ihren spezifischen Ausdehnungskoeffizienten.

Sensible Wärme

Latente Wärme

Enthalpie

30

Erhitzen wir Eisen, Wasser und Luft um 100 K und zwar jeweils eine

Säule von 1 cm2 Querschnitt und 10 cm Länge und vergleichen die

Wärmeausdehnung dieser drei Stoffe, so erhalten wir die Resultate

gemäss Fig. 2-16.

Fig. 2-16 Wärmeausdehnung von Eisen, Wasser und Luft

Wir wissen auch, warum der Unterschied so gross ist: Beim Eisen sind

die Atome ja fest gefügt, beim Wasser ist ihr Zusammenhang schon

loser, und bei den Gasen üben sie nur ganz geringe Anziehungskräfte

aufeinander aus. Und je geringer die gegenseitigen Anziehungskräfte,

desto stärker wirkt sich jede thermische Anregung aus (der erhöhte

Bewegungsdrang der Atome und Moleküle braucht mehr Platz).

Während sich die festen und flüssigen Stoffe je nach Stoffart unter-

schiedlich ausdehnen, verhalten sich alle Gase praktisch gleich:

Boyle-Mariotte’sches Gesetz Von R. Boyle und E. Mariotte aufgefundene Gesetzmässigkeit: In einem

bestimmten Volumen eines idealen Gases ist das Produkt aus Druck p

und Volumen V bei gleichbleibenderTemperatur konstant

Drücke: p1 * V1 = p2 * V2

Dichte: r1 * V1 = r2 * V2

Die Dichte verhält sich wie die dazugehörigen Drücke.

Gay-Lussac’sches Gesetz Dieses beschreibt die Gesetzmäßigkeit im Verhalten idealer Gase:

Das Volumen V vergrößert sich bei konstantem Druck p linear mit der

absoluten Temperatur T:

V1 = V0 (1 + � * T1) = V0 + V0 � * T1 (T in K)

Der isobare (p = konstant) Ausdehnungskoeffizient für alle idealen Gase

hat den Wert � = 1/273 K. (V0 = Volumen bei 0 ºC). Daraus folgt, dass

sich bei konstantem Druck die jeweiligen Gasvolumina wie die absolu-

ten Temperaturen des Gases verhalten.

V1 / V2 = T1 / T2

Gase und Gasgemische, wie die Luft, dehnen sich pro K Erwärmung um jeweils 1/273 ihres Volumens bei 0 °C aus.(�·= 0,00366 K-1)

10 cm

1 cm2

Δϑ = 100 K :

Eisen

Wasser

Luft

+ 0,036 cm3

+ 0,21 cm3

+ 3,65 cm3

2.2.4 Die Wärmeausdehnung der Gase

Boyle-Mariotte

Gay-Lussac

31

Das heisst 1 m3 (= 1000 dm3) Luft dehnt sich bei Erwärmung um 1 K

immer um rund 3,66 dm3 aus. Ob wir sie von 0 °C auf 1 °C erwärmen

oder von 20 °C auf 21 °C ist für unsere Berechnung ohne Einfluss.

Je mehr die Luft sich nun ausdehnt, um so leichter wird sie und um

so kleiner wird ihre Dichte. (Dichte von Luft bei 0 °C und 1,013 bar =

1,293 kg/m3). Die von uns als gewichtslos empfundene Luft ist also gar

nicht so leicht:

1 m3 Luft bei 0 °C = 1,293 kg

20 °C = 1,205 kg

50 °C = 1,093 kg

Wir sehen daraus: 1 m3 Luft, die an einem Heizkörper vorbeistreicht

und sich dabei beispielsweise von 20 °C auf 50 °C erwärmt, erfährt

dadurch immerhin eine

Auftriebskraft von ungefähr 1 N! (N = Newton; wird im folgenden

Abschnitt erklärt)

Kraft, Physik: Ursache für die Beschleunigung oder die Verformung

eines Körpers. Die Kraft F ist definiert als das Produkt aus der Masse

m eines Körpers und der Beschleunigung a, die dieser Körper erfährt:

F = m * a.

Nach ihrem physikalischen Ursprung unterscheidet man Gravitations-

kräfte, elektromagnetische Kräfte, Kräfte der starken Wechselwirkun-

gen, einschließlich der Kernkräfte, sowie die zum Elementarteilchenzer-

fall führenden Kräfte der schwachen Wechselwirkungen. SI-Einheit der

Kraft ist das Newton (N).

Eine Auftriebskraft von 1 N ist für die «leichte» Luft sehr viel. So steigt

sie vom Heizkörper aus schnell nach oben und zieht unter der Decke

entlang, wobei sie ihre Wärme an die Decke und die umliegende Luft

abgibt.

Dadurch wird sie wieder schwerer, fällt nach unten und strömt zum

Heizkörper zurück, «angesaugt» von der nach oben strömenden

erwärmten Luft (Fig. 2-17).

Fig. 2-17 Luftumwälzung in einem Raum mit Heizkörper

Auftriebskraft

32

Wir haben hier also den gleichen Schwerkraftumtrieb wie bei der Warm-

wasser-Schwerkraftheizung.

Da die Luftteilchen sehr frei beweglich sind, vermischen sie sich viel

leichter miteinander, so dass wir bei Gasen eine weniger scharf abge-

grenzte Temperaturschichtung beobachten.

Die durch den Schwerkraftumtrieb bewirkten Temperaturverhältnisse in

einem Raum werden dargestellt wie in Fig. 2-18.

Fig. 2-18 Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Raumhöhe

Wir haben damit das Thema «Die Wärmeausdehnung gasförmiger

Stoffe» gestreift. Die Kenntnis der weiteren Gasgesetze ist vorwiegend

für die Lüftungs- und Klimatechnik eine wichtige Voraussetzung.

3 m

2 m

1 m

0 m

18°C 20°C 22°C 24°C 26°C 28°C

33

Die Luft umgibt die Erde in Form einer Hülle und übt dabei auf sie

einen veränderlichen Druck aus (Barometerstand). In erster Linie benöti-

gen die Lebewesen die Luft für die Atmung. Ein erwachsener Mensch

braucht beispielsweise zur Aufrechterhaltung des Lebensprozesses

etwa 0,5 m3 Atemluft pro Stunde. Die Luft erfüllt aber ausserdem noch

andere lebenswichtige Aufgaben. So nimmt sie unter anderem an den

Oberflächen der Seen und Ozeane riesige Wassermengen in Form von

Wasserdampf auf, transportiert diese über grosse Distanzen und lässt

sie als Niederschläge wieder zur Erde fallen.

Die physikalischen Grössen, mit denen ein Luftzustand beschrieben

wird, nennt man Zustandsgrössen. Mit diesen befasst sich auch die

Klimatechnik, in der vor allem die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit

und der Luftdruck von Bedeutung sind.

Luft ist ein Gemisch von Gasen, Dämpfen und Verunreinigungen.

Trockene, reine Luft gibt es nur theoretisch. Diese besteht aus:

Neben dem thermischen Zustand der Luft spielt die Reinheit, die Gas-

anteile und vor allem der Wassergehalt der Luft eine wichtige Rolle.

Mit Feuchte oder Feuchtigkeit bezeichnet man den Wassergehalt eines

Stoffes. Im Falle der Luftfeuchtigkeit ist das Wasser im gasförmigen

Zustand homogen mit der Luft vermischt. Wie jeder andere Stoff hat

Luft nur eine begrenzte Aufnahmefähigkeit für Wasser. Diese Grenze

wird als Sättigung bezeichnet. Unterhalb der Sättigung ist feuchte Luft

für das Auge nicht von trockener Luft zu unterscheiden, also völlig farb-

los und durchsichtig. Oberhalb der Sättigung fällt der überschüssige

Wasseranteil in Form von feinsten Wassertröpfchen als Nebel oder

Wolken aus. Die aufgenommene Wassermenge bei Sättigung ist von

der Lufttemperatur abhängig. Sie steigt stark progressiv mit ihr an.

Bei 0 °C beträgt sie beispielsweise 3,9 g/m3, bei 20 °C bereits 15 g/m3.

Die wichtigsten Zusammenhänge werden anhand eines Beispiels

erläutert:

In einem Raum befindet sich Luft mit einem bestimmten Anteil von

Wasserdampf. Kühlt man diese Luft allmählich ab, so wird bei einer

bestimmten Temperatur der Punkt erreicht, bei dem sich an den Wän-

den oder auf Gegenständen Tauwasser bildet. Diese Temperatur wird

Taupunkttemperatur oderTaupunkt genannt. Den geschilderten Vorgang

kann man beobachten, wenn sich Raumluft von 20 °C an den Fenster-

scheiben mit einer Oberflächentemperatur von beispielsweise 6 °C

abkühlt und der ausscheidende Wasserdampf in Form von Kondensat

von den Scheiben abtropft.

Gasförmiger Chemisches Volumen- Gewichts-Stoff: Zeichen: anteil: % anteil: %

Stickstoff N2 78,060 75,490

Sauerstoff O2 20,960 23,170

Argon Ar 0,930 1,290

Kohlendioxyd CO2 0,030 0,040

Wasserstoff H2 0.010 0,001

Neon Ne 0,002 0,001

Helium, Krypton, Xenon He, Kr, Xe 0,008 0,008

2.2.5 Das Medium «Luft»

Reine trockene Luft

Feuchte, oder Feuchtigkeit der Luft

34

Es wird dadurch deutlich, dass die Luft nicht gleichermassen fähig ist,

Wasserdampf aufzunehmen und dass diese Aufnahmefähigkeit von

ihrerTemperatur abhängt. So ist jeder Lufttemperatur, bei einem

bestimmten Luftdruck, ein bestimmter Wasserdampfgehalt zugeordnet,

der nicht überschritten werden kann, ohne dass die oben erwähnte

Erscheinung derTaubildung auftritt.

Fig. 2-19 Sättigungsfeuchte in Abhängigkeit derTemperatur

Fig. 2-19 zeigt die Abhängigkeit der grösstmöglichen Wasserdampfmen-

ge, die – bezogen auf die Temperatur – in einem bestimmten Volumen

enthalten sein kann.

Für die zahlenmässige Angabe der Feuchtigkeit bestehen die Grössen:

Relative und absolute Feuchte. Die genauen Zusammenhänge sind im

h,x-Diagramm dargestellt und können auf einfache Weise durch Mes-

sungen und mit Hilfe des Diagramms ermittelt werden. (h,x-Diagramm

siehe Anhang).

Wir wissen nun, was Wärme ist, kennen den Ursprung der Wärmestrah-

lung und haben auch einen kleinen Begriff davon bekommen, wie

schwierig eine exakte Temperaturmessung in der Praxis ist. Danach

haben wir die Wärmeausdehnung der Stoffe betrachtet und an prakti-

schen Beispielen gesehen, wie dieses Phänomen konstruktiv ausge-

nützt wird und welche Vorgänge es in Heizungsanlagen und beheizten

Räumen hervorruft.

Wir haben auch bereits gesehen, wie viel Energie erforderlich ist, um

das Medium Wasser zu erwärmen oder zu verdampfen und wissen,

dass Luft nur einen bestimmten Anteil an Wasserdampf aufnehmen

kann und dass diese Wasserdampfmenge von der Lufttemperatur und

vom Luftdruck abhängig ist.

h,x-Diagramm

35

Wir haben gelernt, dass die Temperatur eines Stoffes einem bestimm-

ten Schwingungszustand oder sozusagen «Erregungszustand», seiner

Atome entspricht. Wollen wir die Temperatur erhöhen, so müssen wir

sie stärker anregen, und dazu ist Energie erforderlich. Die aufzuwen-

dende Energiemenge hängt aber auch davon ab, wie viele Teilchen wir

anregen müssen, d.h. also vom Gewicht des Stoffes.

Je grösser das Gewicht eines Stoffes ist, desto grösser ist aber auch

die in ihm – nach derTemperaturerhöhung – enthaltene Wärmemenge

bzw. sein Wärmeinhalt.

Die in einem Stoff enthaltene Wärmemenge wird mit Q [kJ]bezeichnet.

Die Wärmemenge Q kann berechnet werden. Zuerst müssen wir aber

noch eine Stoffgrösse kennen lernen. Würden wir versuchen, die

Temperatur von je 1 kg Kupfer, Wasser und Luft um 1 K zu erhöhen, so

würden wir feststellen, dass wir bei Luft fast 3 mal mehr und bei Was-

ser 11 mal mehr Wärmeenergie benötigen als beim Kupfer.

Bei anderen Stoffen wären die Ergebnisse ebenso unterschiedlich. Die

für eine Temperaturerhöhung erforderliche Wärmemenge hängt also

nicht nur vom Gewicht, sondern auch von der Wärmespeicherfähigkeit

des Stoffes ab. Wir bezeichnen das als die spezifische Wärmekapa-zität c des Stoffes.

Diese spezifische Wärmekapazität ist immer auf 1 kg Stoffgewicht und

auf 1 K bezogen, und ihre Einheit ist [J/kg K]. Sie sagt also aus, wie

viele J respektiv kJ erforderlich sind, um 1 kg dieser Stoffe um 1 K zu

erwärmen.

Die spezifische Wärme für Kupfer, Wasser und Luft beträgt:

Kupfer: c = 4381 [J/kg K]Wasser: c = 4190 [J/kg K]Luft: c = 1004 [J/kg K]

Die Tabelle zeigt die Werte für die spezifische Wärme anderer Stoffe.

Sieht man vom Wasserstoff und vom Helium ab, so steht das Wasser

an der Spitze aller Stoffe (auch der hier nicht aufgeführten!). Wir brau-

chen also sehr viel Wärmeenergie, um Wasser auf eine höhere Tempe-

ratur zu bringen. Dafür haben wir dann aber auch entsprechend viel

Wärmeenergie, mit der wir «operieren» können, in dieser Wassermen-

ge gespeichert.

Stoff c in kJ/kg K

Wasserstoff 14,25

Helium 5,24

Wasser 4,19

Luft 1,0

Stahl 0,48

Kupfer 0,39

Öle ≈ 2,00

2.2.6 Der Wärmeinhalt der Stoffe

Spezifische Wärme

36

Beim Rechnen mit Wärmemengen interessiert uns also das Gewicht

(die Masse m), die spezifische Wärme c und die Temperaturdifferenz

Δ� (K) vor und nach der Erwärmung, denn sie bestimmt ja mass-

gebend, wie viel Wärme wir dem Stoff zuführen müssen. Gehen wir

umgekehrt vor und stellen einen erwärmten Körper in eine kältere

Umgebung, so können wir aus seinem Gewicht, seiner spezifischen

Wärme und dem Temperaturgefälle zwischen ihm und seiner Umge-

bung errechnen, welche Wärmemenge dieser Körper maximal abgeben

kann.

Es gilt die Formel:

Q = m * c * Δ� [kg * J/kgK * K] = [J]

Die Einheit der Wärmemenge ist das Joule, oder 1000J = 1 kJ

(Kilojoule).

Wenn wir also in einer Heizanlage 200 kg Wasser von 60 °C auf 80 °C

erwärmen wollen, dann benötigen wir dazu

Q = m * c * Δ� = 200 kg * 4190 J/kgK * 20 K = 16 760 000 Jbzw. 16 760 kJ

Strömt dieses Wasser mit 80 °C in die Heizkörper und kehrt es von

dort mit 60 °C zum Heizkessel zurück, so hat es inzwischen die vorher

zugeführten 16 760 kJ wieder abgegeben; zum grössten Teil an die Luft

in den Wohnräumen, zum kleineren Teil als sogenannte Wärmeverluste

durch die Rohrleitungen an die Umgebung (Fig. 2-20).

Fig. 2-20 Prinzip einer Heizanlage

Wärmemenge Q

37

Das Beispiel hat gezeigt, dass wir 16 760 kJ brauchen, um die Tempera-

tur von 200 kg Wasser um 20 K zu erhöhen. Wir haben auch gesehen,

dass diese Wärmeenergie von den Heizkörpern an die Luft und von den

Rohrleitungen als Wärmeverluste abgegeben wurde, so dass das Was-

ser wieder mit 60 °C zum Kessel zurückströmte. Wir haben also prak-

tisch einen Wärmestrom zu den Heizkörpern geschickt. Dieser Wärme-

strom muss nun im Winter dem jeweiligen Wärmebedarf angepasst

werden, d.h. der Kessel muss in dieser Heizanlage pro Stunde die Wär-

meenergie hergeben, die von den Heizkörpern bzw. den Räumen ver-

braucht wird.

Die in einer bestimmten Zeit (h) aufgebrachte Energie (Arbeit), ist die

Leistung.

Die Wärmeleistung oder der Wärmestrom Q..

In unserem Beispiel beträgt die erforderliche Wärmeleistung

Q.

= 16 760 kJ / 3600 s

Der Zusammenhang Joule und Watt wird im folgenden Abschnitt

erläutert.

Um ein Gefühl für die Größenordnung von Wärmeinhalten verschiede-

ner Stoffe zu bekommen, schauen wir uns jetzt an, welche Wärmeener-

gie unsere bekannten Brennstoffe hergeben:

Für unsere Heizanlage, in der z.B. mit Öl geheizt wird, beträgt der

stündliche Brennstoffverbrauch demnach 4,66 kW :11,6 kW/kg = 0,4 kg

Heizöl.

Stoff: Wärmeinhalt: Wärmeleistung / h:[kJ/kg] [kJ/m3] [kW/kg] [kW/m3]

Heizöl EL ≈ 42 000 ≈ 11,6 ≈ 9,75

Steinkohle, Koks ≈ 30 000 ≈ 8,3

Stadtgas ≈ 16 000 ≈ 4,4

Propangas ≈ 46 000 ≈ 93 000 ≈ 12,75 ≈ 25,75

Erdgas ≈ 39 000 ≈ 34 000 ≈ 11,6 ≈ 9,5

Q.

= 4,66 kJ/s = 4,66 kW

Wärmeleistung

38

Die Einheit Joule oder Kilojoule gehört zu den Basiseinheiten des

SI-Systems.

Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre sagt: Wärme ist Energie.

Im Vergleich der Wärmeenergie mit mechanischer Energie ist nur die

Energieform verschieden; die Energiemenge kann aber beide Male in

Joule angegeben werden.

Oft wird mechanische Energie in Nm (Newton-Meter), elektrische

Energie in Ws (Watt-Sekunde) und Wärmeenergie in Joule angegeben.

Es gilt : 1 Nm = 1 Ws = 1 J

Was steckt nun hinter der Einheit Joule?

Wir wissen, dass Joule die Einheit für Energie ist und

Energie = Kraft x Weg

Kraft = Masse (kg) x Beschleunigung (m/s2)

Weg = Meter (m)

Energie = kg * m2/s2 = Joule

Die Einheit kg·m2/s2 hat mit «Wärme» eigentlich nichts zu tun. Wie kann

man diese mechanische Einheit mit einer wärmetechnischen Grösse

verknüpfen?

J.P. Joule, ein englischer Naturforscher (1818–1889), bewies den

Zusammenhang experimentell. Er baute die Versuchsanordnung nach

Fig. 2-21 und fand das Wärmeäquivalent.

Fig. 2-21 Versuch von Joule für die Bestimmung des Wärmeäquivalents

Durch die Bewegung des Rotors wird die Temperatur einer bestimmten

Wassermenge um einen bestimmten Betrag erhöht (Aufprall der Mole-

küle). Dies entspricht einer Wärmemengenzufuhr in kJ/kg.

Joule fand heraus, dass eine Masse von m = 1 kg um eine Höhendiffe-

renz von h = 427 m fallen muss, bis die Wärmemenge Q = 4188 Joule

erzeugt wird.

Nun übt aber die Masse m wegen der Erdbeschleunigung g die

Gewichtskraft G aus (G = m * g).

Für den Versuch von Joule ergibt dies also:

Energie = Masse x Beschleunigung x Weg

Q = m * g * h = 1 kg * 9,81 m/s2* 427 m = 4188 kg·m2/s2 = 4188 Joule

oder: Q = 4188 J = 4,188 kJ

2.2.6.1 Von Kilokalorie zu Kilojoule

und Watt

Joule und Watt

39

Überall dort, wo wir Wärme empfinden oder wo wir wärmetechnische

Prozesse beobachten, haben wir es immer mit Wärmeübertragungs-

prozessen zu tun. Wärmeübertragung von festen auf flüssige Stoffe,

von flüssigen auf gasförmige und von diesen wieder auf feste Stoffe

usw.

Die Wärmeübertragungskette in einer Warmwasser-Zentralheizung sieht

z.B. wie folgt aus:

Flamme des Gasbrenners ’Kesselwandung ’Kesselwasser ’Radiator ’

Luft ’Personen sowie Wände, Decken, Fussböden, Möbel ’Aussenluft

und Erdreich.

Wärmeleitung ist das Fliessen der Wärme in einem Stoff, durch die sich

von Teilchen zu Teilchen fortpflanzende thermische Anregung (Fig. 2-22).

Fig. 2-22 «Fliessen» der Wärme in einem Stoff

Aber auch überall dort, wo sich zwei Stoffe fest berühren, findet eine

Wärmeübertragung durch Wärmeleitung statt, z.B. zwischen Elektro-

kochplatte und Kochtopf, zwischen Bügeleisen und Stoff usw.

(Fig. 2-23).

Fig. 2-23 Wärmeleitung von einem Stoff höhererTemperatur auf einen Stoff tieferer

Temperatur

Wir kennen gute und schlechte Wärmeleiter. Die Wärmeleitfähigkeit

wird durch die Wärmeleitzahl � (lambda) ausgedrückt. Sie gibt an,

welche Wärmemenge in 1 Sekunde zwischen zwei planparallelen

Flächen von 1 m2 Querschnitt im Abstand von 1 m, bei einem Tempe-

raturgefälle von 1 K fliesst.

Wärmeleitzahl � in W/m K

2.2.7 Die Wärmeübertragung

2.2.8 Wärmeleitung

Wärmeleitzahl

40

Fig. 2-24 Wärmeleitzahl � verschiedener Stoffe

Die Darstellung zeigt: Kupfer leitet die Wärme zirka 8 mal besser als

Eisen; Luft und die porigen «luftgefüllten» Stoffe wie Kork, Schaumstof-

fe, unsere Bekleidung usw. Ieiten die Wärme am schlechtesten. Solche

Stoffe werden daher auch Wärmedämmstoffe genannt.

Wärmeleitung ist also das Fliessen der Wärme in einem Stoff, oder

auch von Stoff zu Stoff, wenn die Stoffteilchen sich fest berühren.

Wie ist es nun aber, wenn die Wärme von einem festen Stoff auf einen

flüssigen oder gasförmigen Stoff übertragen werden soll; beispiels-

weise von einer Wand an Wasser oder Luft? Hier findet doch gar keine

feste Berührung statt, hier sind die Stoffteilchen doch ständig in flies-

sender oder gar ungeordneter Bewegung? Ausserdem strömt doch

erwärmte Luft oder erwärmtes Wasser sofort von der Wärmequelle

weg nach oben?

Die Wärmeübertragung kann deshalb nie so vollkommen sein, wie bei

zwei festen Körpern, die sich eng berühren.

Richtig! Bei fliessenden Medien, wie Wasser und Luft, kommen die

Stoffteilchen infolge ihrer Eigenbewegung tatsächlich nur in flüchtigen

Kontakt mit dem festen Stoff oder, wie wir sagen wollen, mit der Wand.

Sie können daher auch nur während dieser kurzen «Fühlungnahme»

Wärme durch Wärmeleitung von ihr aufnehmen; das eine Teilchen mehr,

das andere weniger. Das Medium, Wasser oder Luft, wird also nur

«angewärmt» und nur im Bereich, nahe der Wand (Fig. 2-24). Die hier

erwärmte Menge dehnt sich aus, wird spezifisch leichter und steigt

nach oben, wobei sie die aufgenommene Wärme mitnimmt. Es ent-

steht also eine Wärmeströmung. Im Weiterströmen tauschen die Stoff-

teilchen die aufgenommene Wärme untereinander und mit ihrer kalten

Umgebung aus; sie übertragen sie also auch auf eine Wand, die sich

ihnen entgegenstellt. Natürlich ist die Übertragung auch hier nur unvoll-

kommen, da die gegenseitige Kontaktnahme ja wiederum nur flies-

send-flüchtig ist.

41

Fig. 2-25 Wärmeleitung an Wänden

Die Wärmeübertragung von einer Wand auf ein fliessendes Medium

ruft also in diesem Medium immer eine Strömung hervor, welche die

aufgenommene Wärme mitführt und von der sie wieder auf eine feste

Wand übertragen werden kann.

Das «Mitnehmen, Mitführen und Mitbringen» der Wärme wird als

Wärmeübertragung durch Konvektion bezeichnet.

1. Mitführung von Energie oder elektrischer Ladung durch die kleinsten

Teilchen einer Strömung (Physik).

2. Zufuhr von Luftmassen in senkrechter Richtung.

Das ungezwungene, natürliche Nachobenströmen des erwärmten

Mediums nennen wir dabei freie Strömung; die Führung der Strömung

durch Rohre oder Kanäle: aufgezwungene Strömung.

Welche Wärmemenge pro Zeiteinheit durch Konvektion übertragen

wird, hängt ab:

• von derTemperaturdifferenz zwischen Wand und fliessendem

Medium,

• von der Grösse der Wandfläche,

• von den Wärmeleitzahlen der Wand und des fliessenden Mediums

und vor allem

• von der Art und Geschwindigkeit der Strömung, denn je grösser die

Strömungsgeschwindigkeit, um so grösser ist die Anzahl der Stoff-

teilchen, die mit der Wand in Berührung kommen und dadurch Wär-

me von ihr aufnehmen oder an sie abgeben können.

Die Art, Richtung und Geschwindigkeit der Strömung ist rechnerisch

sehr schwer zu erfassen, und die Praktiker wissen, dass auch die sorg-

fältigste Berechnung den tatsächlichen Wärmeübergang von der Wand

auf das Medium, oder umgekehrt, nur annähernd genau wiedergibt.

Aus diesem Grunde bedient man sich in der Praxis eines Kennwertes,

der häufig durch praktische Versuche ermittelt und in Tabellen und Dia-

grammen niedergelegt wurde. Dieser Kennwert bezeichnet man als die

Wärmeübergangszahl � (Alpha)

Der Alpha-Wert wird stets auf eine Fläche von 1 m2 bezogen und gibt

an, wie viel Watt bei 1 K Temperaturdifferenz, vom Medium auf die

Wand oder von der Wand auf das Medium übertragen werden.

2.2.9 Wärmemitführung (Konvektion)

Konvektion

Freie und erzwungene Strömung

Wärmeübergang

42

Hier als Beispiel einige Alpha-Werte für Luft und Wasser:

Wärmeübergangszahl � in W/m2 K:Ruhende Luft 3 bis 20

Strömende Luft 20 bis 100

Nicht bewegtes Wasser 500 bis 2000

Bewegtes Wasser 2000 bis 4000

Diese wenigen Beispiele zeigen schon, wie stark die Strömungs-

geschwindigkeit den Wärmeübergang beeinflusst, vor allem bei Luft.

Beim Wasser ist der Einfluss der Strömung nicht so stark, da ja die

Wasserteilchen ohnehin fester an der Wand «anliegen» als die flüch-

tigen Luftteilchen. Aus diesen Werten erkennen wir aber auch, warum

wir unsere Hand recht lange in einen Luftstrom von 80 °C halten kön-

nen, nicht aber in Wasser von 80 °C. Der Wärmeübergang ist ja rund

20 mal grösser!

Tabellen und Diagramme für die Alpha-Werte gibt es für alle in der

Praxis vorkommenden Wärmeübergänge, z.B. für Wasser und Luft, in

Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit an den Wärmeüber-

tragungsflächen.

Kennt man die Wärmeübergangszahl (�) für die gegebenen Strömungs-

verhältnisse, so kann man den Wärmestrom (�) Phi aus der Grösse der

gegebenen Wandfläche (A) und derTemperaturdifferenz zwischen Wand

und Medium (�W – �M) ausrechnen:

Wärmestrom (�) = � * A * (�W – �M) [W/m2 K * m2* K] = [W]

Fig. 2-26 Wärmestrom an einer Wand

In unserem Fachgebiet interessiert uns oft der Wärmeübergang von

Luft oder Wasser auf die Temperaturfühler, bzw. wie schnell wir ein

regeltechnisch korrektes Messergebnis erhalten. Zum Zwecke eines

guten Wärmeübergangs wird der Installateur einer Lüftungsanlage,

einen stabförmigen Temperaturfühler möglichst an einer Stelle im Luft-

kanal platzieren, wo die Strömungsgeschwindigkeit besonders gross

ist.

Wärmestrom

43

In der Praxis haben wir es aber nicht nur mit Wärmeübertragungspro-

zessen zu tun, bei denen die Wand das fliessende Medium begrenzt,

sondern auch mit solchen, bei denen sie zwei fliessende Medien von-

einander trennt, also zwei Gase mit unterschiedlicherTemperatur, zwei

Flüssigkeiten oder auch ein Gas und eine Flüssigkeit, z.B.:

• Heisses Verbrennungsgas / Kesselwand / Kesselwasser

• Heisses Kesselwasser / Radiatorwand / Raumluft

• Raumluft / Hauswand / Aussenluft

Bei all diesen Beispielen haben wir es also mit zwei Wärmeübergängen

zu tun, wobei uns interessiert, welche Wärmemenge durch die Wand

übertragen wird. Bei einer Hauswand möchten wir, dass möglichst

wenig Wärme hindurchgeht, bei einer Kesselwand dagegen, dass mög-

lichst viel Wärme hindurchgeht. Diese Wärmeübertragung durch eine

Trennwand zwischen 2 Medien, mit zweimaligem Wärmeübergang,

nennen wir daher Wärmedurchgang.

Wir kennen jetzt die Faktoren, die den Wärmedurchgang bestimmen

und erinnern uns, dass es sich hier nicht um reine Wärmeleitung

handelt, denn diese setzt ja die feste Berührung der Körper voraus.

Aber dieser feste Körperkontakt ist bei den Flüssigkeiten oder Gasen

diesseits und jenseits der Wand ja nicht gegeben.

Den Wärmedurchgang beeinflussen stattdessen im Wesentlichen die

beiden Wärmeübergangszahlen, z.B.

�1 Raumluft/Wand-lnnenfläche

�2 Wand-Aussenfläche/Aussenluft, also zwei schwer berechenbare

Grössen (Wind usw.)

Weiter wird der Wärmedurchgang beeinflusst durch

• die Fläche und Dicke der Wand

• die Wärmeleitfähigkeit der Wand bzw. der verschiedenen Wand-

Schichten (z.B. Innenputz, Mauerwerk, Dämmstoff, Aussenputz)

• die Temperaturdifferenz, z.B. zwischen Raum- und Aussentempera-

tur.

Beim Berechnen des Wärmedurchgangs arbeitet man auch hier prak-

tisch ausnahmslos mit Erfahrungswerten oder Werten, die durch prakti-

sche Versuche und Messungen ermittelt wurden. Der Kennwert für den

Wärmedurchgang durch eine bestimmte Wandkonstruktion ist die

Wärmedurchgangszahl k [W/m2 K]

Sie ist, wie die Wärmeübergangszahl �, auf eine Wandfläche von 1 m2

bezogen und gibt an, wie viel Watt [W] durch eine Wand hindurchge-

hen, wenn derTemperaturunterschied zwischen den Medien, diesseits

und jenseits der Wand, 1 K beträgt.

Die Einheit der Wärmedurchgangszahl k ist deshalb die gleiche wie die

der Wärmeübergangszahl �.

Wärmedurchgang

44

Kennt man also den k-Wert einer Wand, so ist das Berechnen des

Wärmestromes � durch die Wand (übertragene Wärmemenge) nicht

schwierig.

Fig. 2-27 zeigt, welche rechnerischen Grössen in der k-Zahl einer Wand

zusammengefasst sind, wenn diese Wand aus drei Schichten verschie-

dener Dicke d und unterschiedlicher Wärmeleitzahl � besteht.

Fig. 2-27 Wärmedurchgang durch eine dreischichtige Wand

Nun bestehen die Wände eines Hauses aber keineswegs immer nur

aus drei Schichten, beispielsweise 2 Backstein- und 1 Isolierschicht. Es

kommt ja noch der Verputz dazu, und evtl. ist die Innenwand zusätzlich

mit Fliesen belegt oder mit Holz getäfert.

Weiter ist es ein Unterschied, ob das Mauerwerk aus gewöhnlichen

Backsteinen, Klinkern, Hohlsteinen oder ähnlichem ausgeführt ist. Auch

die Dicke des Mauerwerkes ist je nach Nutzungszweck des Baus unter-

schiedlich. So erstaunt es nicht, wenn die Tabellen der k-Werte der

gebräuchlichen Bauelemente in den Handbüchern der Haustechnik

mehrere Seiten füllen.

Einige Beispiele: k in W/m2 K

Fenster, einfach verglast ca. 5

Fenster doppelt verglast ca. 3

Doppelfenster & Isolierverglasung ca. 2,5

Innentür ca. 2,5

Aussentür, Holz ca. 3

Backsteinwand, 24 cm dick ca. 1,5

Backsteinwand, 36 cm dick ca. 1

Betonwand (nicht porig), 250 mm ca. 2,5

StahIblechwand ca. 6

45

Mit Hilfe dieser k-Werte berechnet man bei der Projektierung der Hei-

zungsanlage den Wärmestrom durch alle Bauelemente der Umschlies-

sungsflächen eines Hauses, denn kennt man den Wärmestrom, d.h. die

Wärmeverluste, so weiss man auch, wie gross die Leistung der Wär-

meerzeugung und die Wärmeabgabe der Heizkörper in den einzelnen

Räumen sein muss, um auch bei extremen Winterbedingungen die

Wärmeverluste decken zu können. Wir werden auf dieses Thema später

noch ausführlicher eingehen. Zusammenfassend können wir an dieser

Stelle aber schon festhalten:

In der HLK-Technik sind Wasser und Luft die Medien, mit denen wir es

vorwiegend zu tun haben. Die Wärmeübertragung von einem festen

Körper oder einer Wand auf diese Medien oder umgekehrt erfolgt durch

Konvektion, wobei wir zwischen Wärmeübergang und Wärmedurchgang

unterscheiden. Die Wärmeübergangszahl (und die Wärmedurchgangs-

zahl k sind die Kenngrössen für die Wärmeübertragung vom wärmeren

zum kälteren Medium. Mit ihrer Hilfe können sowohl die Wärmeverlus-

te durch Wände, Fenster,Türen und Rohrleitungen, wie auch die erfor-

derlichen Leistungen der Wärmeerzeuger und der Heizkörper berechnet

werden.

Wir haben gelernt: Wärmestrahlen sind langwellige elektromagnetische

Schwingungen, die immer dann entstehen, wenn beim Zusammenprall

der Atome einzelne ihrer Elektronen kurzzeitig aus ihrer normalen Bahn

geschleudert werden. Als elektro-magnetische Schwingung gehorcht

die Wärmestrahlung, wie das Licht, den optischen Gesetzen, d.h. sie

breitet sich geradlinig aus, wird reflektiert und vermag auch einzelne

Stoffe zu durchdringen oder geringfügig in sie einzudringen. Glas bei-

spielsweise ist jedoch für Wärmestrahlung praktisch undurchlässig

(Fig. 2-28).

Fig. 2-28 Reflexion von Wärmestrahlen an einer Glasfläche

Als elektromagnetische Schwingung braucht die Wärmestrahlung auch

keine festen Teilchen als Transportmittel. Im Gegenteil; im luftleeren

oder luftgefüllten Raum pflanzt sie sich praktisch ungehindert fort (Son-

nenstrahlung, Licht von Glühbirne), während sie beim Auftreffen auf

feste oder flüssige Stoffteilchen diese thermisch anregt und dabei

selbst an Energie einbüsst. Elementare Gase wie Sauerstoff (O2), Stick-

stoff (N2) und Wasserstoff (H2), sowie trockene Luft und alle Edelgase

sind diatherm d.h. für die Wärmestrahlung durchlässig. Und Gase, die

keine Wärmestrahlung absorbieren, können auch keine solche emittie-

ren (aussenden). Aus Molekülen bestehende Gase und Dämpfe wie

Wasserdampf (H2O), Kohlenmonoxyd (CO), Kohlendioxyd (CO2), Schwe-

feldioxyd (SO2), Ammoniak (NH3) usw. absorbieren und emittieren

Strahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen mit unterschiedlicher

Intensität. Die Strahlungsintensität ist dabei eine Funktion der Gastem-

peratur (z.B. Flamme eines Öl- oder Gasbrenners).

2.2.10 Wärmestrahlung

46

Feste Stoffe und Flüssigkeiten senden dagegen stets Wärmestrahlung

aus, und je höher deren Temperatur, desto stärker die Wärmestrahlung.

Die von einem Stoff ausgehende Energie durch Wärmestrahlung

wächst mit der 4. Potenz seiner absoluten Oberflächentemperatur.

Die Intensität (Leistung) der ausgesandten Wärmestrahlung bei einer

bestimmten Temperatur ist jedoch nicht bei allen Stoffen gleich gross.

Sie ist abhängig von der Strahlungskoeffizient C. Bei festen Stoffen

hängt dieser Koeffizient sehr stark von der Beschaffenheit der Oberflä-

che ab:

Die Tabelle zeigt uns: Ein absolut schwarzer Körper gibt am meisten

Strahlung ab, ein gleichgrosser hochglanzpolierter Körper aus Edelme-

tall dagegen am wenigsten. Die Farbe spielt keine so grosse Rolle. Prüft

man nun nach, wie viel der von einem Körper ausgesandten (emittier-

ten) Strahlung von einem gleichgrossen Körper des gleichen Stoffes

aufgenommen (absorbiert) wird, so kommt man zu den gleichen Wer-

ten.

Emission und Absorption von Wärmestrahlung halten sich also die Waa-

ge: Ein Stoff, der wenig Wärmestrahlung aussendet, nimmt auch wenig

Wärmestrahlung auf und umgekehrt.

Das Berechnen der vom einen zum anderen Körper durch Wärmestrah-

lung übertragenen Wärmeenergie ist trotzdem nicht so einfach, da auch

der Einfallswinkel der Strahlung berücksichtigt werden muss, die Stärke

und Häufigkeit der Reflexion sowie die Tatsache, dass beide Körper

gleichzeitig Strahlung aussenden und absorbieren. Wir wollen daher gar

nicht auf die Berechnung eingehen, sondern lediglich ein paar Beispiele

der Wärmeübertragung durch Strahlung ansehen:

Die glühenden Spiralen eines elektrischen Heizofens sind starke Wär-

mestrahler, zumal die Richtwirkung des Reflektors noch hinzukommt.

Die Wärmeabgabe durch Konvektion ist dagegen gering, da ja die Wär-

meübertragungsfläche (Spiralen) nur sehr klein ist (Fig. 2-29).

Oberfläche: C in W/m2 K4

Schwarzer Körper ≈ 5,75 * 10–8

Hochglanzpolierte Metalle ≈ 0,25 * 10–8

Weisse, glänzende Emaille ≈ 5,20 * 10–8

Ölfarben (alle Farben) ≈ 5,40 * 10–8

Aluminiumlack (Lackbronze) ≈ 2,20 * 10–8

Mauerwerk verputzt ≈ 5,40 * 10–8

Wasser ≈ 5,40 * 10–8

Strahlungskoeffizient C

47

Fig. 2-29 Wärmeabgabe bei elektrischen Heizkörpern

Blasen wir diese glühenden Spiralen nun aber mit einem Ventilator an,

so kühlen sie sofort ab, denn nun führt die grosse Menge der vorbei-

strömenden LuftteiIchen die Wärme durch Konvektion ab (Wärmeüber-

gang in Verbindung mit erzwungener Strömung). Die Wärmestrahlung

geht dadurch sofort zurück: Aus dem Wärmestrahler ist ein elektrischer

Heizkonvektor geworden.

Bestimmte Heizkörper einer Warmwasser-Zentralheizung werden Radia-

tor (Strahler) genannt, weil sie einen grossen Teil ihrer Wärmeleistung

durch Strahlung an den Raum abgeben. Ist ein Radiator dagegen zum

Raum hin verkleidet, so wird seine Strahlung abgeschirmt, und er funk-

tioniert nur noch als Konvektor (Fig. 2-30).

Bei Konvektoren bemüht man sich, die Luft in möglichst engen Kontakt

mit den Heizflächen zu bringen, um einen guten Wirkungsgrad der Wär-

meabgabe durch Konvektion zu erzielen.

Fig. 2-30 Wärmeabgabe bei Warmwasser-Heizkörpern

48

Bei der Deckenstrahlungsheizung (Fig. 2-31 links) sind Rohre als Heiz-

körper in die Decke eingebettet oder dicht unter ihr aufgehängt. Wir

haben so eine sehr grosse Heizfläche, aber bei der horizontalen Anord-

nung des «Heizkörpers» an der wärmsten Stelle im Raum, kaum eine

Luftbewegung. Die Wärmeabgabe erfolgt daher fast ausschliesslich

durch Strahlung.

Fig. 2-31 Wärmeabgabe bei Deckenstrahlungsheizung (links) und Fussbodenheizung

(rechts)

Bei der umgekehrten Anordnung, der Fussbodenheizung (Fig. 2-31

rechts), liegen die Verhältnisse ähnlich, nur ist der Anteil der Wärmeab-

gabe durch Konvektion grösser, da die erwärmte Luft hier ja aufsteigen

kann, während sie bei der Deckenheizung sozusagen unter der Decke

«festhängt».

Diese Beispiele zeigen uns auch, dass bei der Wärmeübertragung vom

einen auf den anderen Stoff die Wärmeleitung, die Wärmekonvektion

und die Wärmestrahlung fast immer zusammenwirken:

Wärme ist eine schwer zu beherrschende Form der Energie. Wann

immer wir uns bemühen, einen Stoff an einem Ende zu erwärmen, so

gibt er am anderen Ende einen Teil der Wärme schon wieder durch Kon-

vektion, Strahlung oder Wärmeleitung ab. Manchmal ist das zwar

erwünscht; oft ist es aber nichts anderes als Wärmeverlust. Und,

genauer betrachtet, ist Heizen nichts anderes als ein laufendes Kom-

pensieren von Wärmeverlusten.

49

Die Mischungsregel ist die Gleichung zur Bestimmung der Misch-

temperatur tm die sich einstellt, wenn zwei Stoffe mit den Massen m1

und m2, den zugehörigen Temperaturen t1 und t2 und den spezifischen

Wärmekapazitäten c1 und c2 ohne Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr mit-

einander gemischt werden.

Aus dem Gleichgewicht von abgegebener und aufgenommener Wärme-

menge ergibt sich:

oder vereinfacht, beim Mischen von zwei gleichen Medien c1 = c2:

In der HLK-Technik kommen Mischvorgänge wasserseitig bei den

hydraulischen Schaltungen (Vorlauftemperaturregelung) und luftseitig

bei der Mischluftregelung (Klappensteuerung) vor.

Bei allen Wärmeübertragungsvorgängen geht es um die Frage:

Welche Wärmemenge wird pro Zeiteinheit bei einer Temperatur-differenz von x Kelvin von einer Wand auf ein Gas oder eine Flüssigkeit

oder von diesen auf eine Wand übertragen?

Wir lernten, dass die übertragene Wärmemenge von bestimmten

Kenngrössen der Wand abhängt, der Wärmeübergangszahl (bzw. der

Wärmedurchgangszahl k). In einem konkreten Fall, also bei einer Wand

bestimmter Grösse und stofflicher Beschaffenheit, hängt also die pro

Zeiteinheit übertragene Wärmemenge demnach nur noch von derTem-

peraturdifferenz ab. Aber diese Temperaturdifferenz wird doch mit fort-

schreitender Wärmeübertragung immer kleiner!? Also wird doch auch

die übertragene Wärmemenge immer kleiner!? Wenn z.B. ein kalter

Metallwürfel auf eine 100 °C warme Kochplatte gestellt wird, so steigt

die Würfeltemperatur vorerst rasch an, weil ja die Temperaturdifferenz

noch sehr gross ist. Gegen Ende der Wärmeübertragung dagegen wird

sie in der gleichen Zeit nur noch geringfügig ansteigen, da ja die Tempe-

raturdifferenz nur noch vielleicht 1 K beträgt und dementsprechend

wenig Wärme übertragen wird. Die pro Zeiteinheit übertragene Wärme-

menge wird also immer kleiner.

tm = m1 * t1 + m2 * t2 [°C]m1 + m2

Q.

auf = Q.

ab

m1 * c1 * (tm – t1) = m2 * c2 * (t2 – tm)[°C]

tm = m1 * c1 * t1 + m2 * c2 * t2 [°C]m1 * c1 + m2 • c2

2.2.11 Die Mischungsregel

Mischtemperatur

2.2.12 Die Zeitkonstante bei der

Wärmeübertragung

Übertragungsverhalten

50

Vorgänge, bei denen sich die Grösse im Verhältnis zur Grösse selbst

ändert, verlaufen nach einer Exponentialfunktion, einer sogenannten

e-Funktion. In Fig. 2-32 sehen wir deutlich, wie die Temperaturände-

rung pro Zeiteinheit immer kleiner wird, da die zu überwindende Tempe-

raturdifferenz selbst immer kleiner wird (und sie bestimmt ja die über-

tragene Wärmemenge!)

Fig. 2-32 Temperaturänderung pro Zeiteinheit

In der Zeiteinheit T1 (genannt Zeitkonstante) werden knapp 2⁄3 (mathe-

matisch genau 0,632 oder 63,2 %) der insgesamt zu überwindenden

Temperaturdifferenz Δ� durchschritten.

In der nächsten gleich grossen Zeiteinheit T2 werden von den verblei-

benden 36,8 % wiederum 63,2% durchschritten.

Und auch in der dritten Zeiteinheit T3 genau dasselbe: Wiederum wer-

den 63,2 % der noch verbleibenden Temperaturdifferenz aufgehoben

usw., bis nach ca. 5 T praktisch der Ausgleich erfolgt.

Ein konkretes Beispiel:

Wir nehmen ein Thermometer und stecken es solange in schmelzendes

Eis bis es 0 °C anzeigt. Dann nehmen wir es heraus und stecken es

sofort in ein Wasserbad, welches konstant auf 100 °C gehalten wird.

Gleichzeitig starten wir eine Stoppuhr und messen die Zeit, bis das

Thermometer 63 °C anzeigt. Nehmen wir an, dass es bei unserer Ver-

suchsanordnung 20 s dauert. Jetzt können wir voraussagen, dass das

Thermometer nach weiteren 20 s ca. 86 °C anzeigen wird und nach

nochmals 20 s ca. 95 °C. Von da an wird die Temperatur-Anzeige nur

noch sehr langsam weiter steigen und erst nach etwa 5 mal 20 s zeigt

es schliesslich praktisch 100 °C an.Theoretisch würden 100 °C aber erst

nach unendlich langer Zeit erreicht.

Exponentialfunktion

51

Als Strömung bezeichnet man die in zusammenhängender, stetiger

Weise erfolgende Bewegung von Flüssigkeiten, Gasen und Plasmen.

Man unterscheidet:

– Laminare Strömung

– Turbulente Strömung

Vernachlässigt man die an den Grenzflächen von Körpern und Flüssig-

keit zwischen einzelnen Flüssigkeitsschichten auftretenden Reibungs-

kräfte, so spricht man von reibungsfreier oder idealer Strömung. Die rei-

bungsfreie Strömung hat Bedeutung zum allgemeinen Verständnis von

Strömungsvorgängen und zur Berechnung von Geschwindigkeits- und

Druckverhältnissen (z.B. an einerTurbinenschaufel oder einem Flug-

zeug-Tragflügel). Sie ist für HLK-Technik nicht relevant.

Die Strömung einer Flüssigkeit oder eines Gases in einem Rohr kann

laminar (geschichtet) oder turbulent (wirbelig) sein. Bei der laminaren

Bewegung in einem Rohr bewegen sich die einzelnen (Flüssigkeits-)

Teilchen auf achsenparallelen Stromlinien im allgemeinen mit unter-

schiedlicher Geschwindigkeit w.

Zwischen den einzelnen Stromfäden besteht eine Schubspannung

(Reibung), die umso grösser, je zäher die Flüssigkeit ist.

Eine Strömung mit sich nicht kreuzenden Strombahnen heisst laminare

Strömung. Die Flüssigkeitsteilchen gleiten wie in Schichten übereinan-

der und bewirken ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil. Es ent-

stehen Schubspannungen und ein entsprechender Reibungswider-stand. Die laminare Strömung eignet sich nicht zur Wärmeübertragung

aus Flüssigkeiten. In der Lüftungstechnik wird sie jedoch bei der zug-

freien Verdrängungslüftung angewandt.

Fig. 2-33 Geschwindigkeitsprofil bei laminarer Strömung in einem Rohr

Sie weist ein sehr unruhiges, durcheinandergewirbeltes Strömungs-

muster auf. Die Strömungsfäden zerfallen und verlieren sich, Quer- und

Mischbewegungen entstehen. Die mittleren Partien führen den äusse-

ren Schichten Energie zu. Die langsameren äusseren Teilchen wandern

nach innen und wirken dort bremsend, wodurch das Geschwindigkeits-

profil ausgeglichener wird.

Fig. 2-34 Geschwindigkeitsprofil bei turbulenter Strömung

Bei HLK-Anwendungen hat man es fast ausschliesslich mit turbulenter

Strömung zu tun. Abgewinkelte Luftkanäle, lufttechnische Apparate wie

Wärmeübertrager, Ventilatoren etc. und vorstehende Kanten verwirbeln

die Strömung. In einem Rohr wird das endgültige Strömungsbild erst

nach einer gewissen Anlaufstrecke erreicht, deren Länge etwa 10x den

Rohrdurchmesser beträgt.

2.3 Hydrodynamik (Strömungslehre)

Strömung

Reibungsfreie Strömung

Strömungen mit Reibung

2.3.1 Laminare Strömung

2.3.2 Turbulente Strömung

52

Für ein gegebenes Rohr erfolgt der Übergang von der laminaren zur

turbulenten Strömung bei einer bestimmten kritischen Geschwindig-keit welche mit kritischen Reynolds-Zahl (Re) ausgedrückt wird

(Re = Zahlenwert, der aus Rohrdurchmesser, Fliessgeschwindigkeit und

Viskosität der Flüssigkeit gebildet wird). Er wird durch Reibung an der

Wand, Geschwindigkeitsänderung und anderen Faktoren beeinflusst.

Der Strömungswiderstand in Rohren, Kanälen und Krümmern ist auch

von der Materialbeschaffenheit (Rohr- oder Kanalwände) abhängig. Um

eine Flüssigkeit oder ein Gas durch ein Rohr zu fördern, ist zur Überwin-

dung des Reibungswiderstandes ein Druckunterschied Δp erforderlich.

Um den Druckverlust so gering wie möglich zu halten, werden in Luft-

kanälen Leitbleche eingebaut oder Rohrführungen entsprechend gestal-

tet.

Der Widerstandsbeiwert � (Zeta), multipliziert mit dem dynamischen

Druck pdyn im Anströmquerschnitt, ergibt den Druckverlust Δp im

betreffenden Kanal-Formstück:

Fig. 2-35 Verringerung des Δp durch strömungsgünstige Gestaltung von Rohren oder

Kanälen und Einbau von Leitblechen.

Betrachtet man in einem rechteckigen Kanal, mit einer Seitenlänge von

10 cm und laminarer Strömung beim Eintritt, das Strömungsbild 20 cm

hinter einer 90° Umlenkung, so zeigt sich direkt hinter der Umlenkung

ein stark verzerrtes Geschwindigkeitsprofil. Partiell können sogar Rück-

strömungen auftreten! Nach weiteren 80 cm ist das Geschwindigkeits-

profil wieder symmetrisch. Wenn keine weiteren Störungen auftreten,

wird das alte Strömungsprofil jedoch erst nach ca. 7–8 m wieder

erreicht.

Diese Vorgänge sind selbstverständlich bei Messungen im Rohr- oder

Kanalnetz zu berücksichtigen.

Δp = � • p • w2

[Pa]2

Reynolds-Zahl

Strömungswiderstand

53

Fig. 2-36 Geschwindigkeitsprofile, gemessen nach einer 90° Umlenkung.

Die aus den Geschwindigkeitsprofilen bestimmte mittlere Geschwin-

digkeit, multipliziert mit der Querschnittsfläche, ergibt den Volumen-

strom. Soll also der Volumenstrom mit einem Geschwindigkeitsfühler

gemessen werden, dann muss das zugehörige Geschwindigkeitsprofil

ermittelt werden.

Aus dem Satz von der Erhaltung der Masse folgt für die Strömung einer

inkompressiblen Flüssigkeit in einem Rohr:

A1 * w1 = A2 * w2

A1,2 = Querschnittsfläche [m2]

w1,2 = Geschwindigkeit [m/s]

Fig. 2-37 a) Geschwindigkeitserhöhung bei Querschnittsverengung

b) Abnahme des statischen Druckes bei Querschnittsverengung

(aus Recknagel-Sprenger 4/95 S215)

Kontinuitätsgleichung: Durch jeden Querschnitt eines Rohres fliesst pro

Zeiteinheit die gleiche Masse, bei inkompressiblen Medien das gleiche

Volumen.

Strömt ein Flüssigkeitsteilchen mit dem Volumen v und der Masse m

ohne Höhenänderung durch ein waagerechtes, sich verengendes Rohr,

so erhöht sich die Geschwindigkeit an der engsten Stelle von w1 auf w2

und damit auch der dynamische Druck von pdyn1 auf pdyn2 (Fig. 2-37a).

Der statische Druck ändert ebenfalls entsprechend, da die Geschwin-

digkeit dem neuen Querschnitt entsprechend variiert. (Fig. 2-37b).

2.3.3 Geschwindigkeit und Druck

Kontinuitätsgleichung

Der Energiesatz

54

Nach Bernoulli ist die Summe des statischen Druckes und des dynami-

schen Druckes (Staudruck) bei der verlustfreien Strömung an allen Stel-

len innerhalb des Rohres konstant.

pges = pdyn + pst = konstant

pst = statischer Druck (Druck auf die Fläche) in Pa

pdyn = �2 * w2 = dynamischer Druck (oder Staudruck) in Pa

pges = pst + �/2 * w2 = Gesamtdruck in Pa mit � (Dichte) = m/v

Geschwindigkeitsenergie kann also in Druckenergie und Druckenergie

in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt werden. In der Praxis sind

diese Vorgänge allerdings mit Druckverlusten durch Reibung verbun-

den. Diese Verluste (Δpv) summieren sich aus dem Reibungswiderstand

R (R = Druckabfall je m Rohr) multipliziert mit der Rohrlänge in Metern

plus den Einzelwiderständen die sich aus � * pdyn ergeben.

Strömt also ein Medium mit Druckverlusten (Δpv) durch ein waagrech-

tes Rohr vom Punkt 1 zum Punkt 2, dann ergibt sich der Gesamtdruck

im Punkt 2 wie folgt:

pges2 = pges1 – Δpv

Aus dem Druckunterschied lässt sich die Geschwindigkeit und damit

die durchfliessende Menge bestimmen.

Fig. 2-38 Druckmessung mit dem Staurohr

Die Flüssigkeitssäule pdyn kann mit einer Geschwindigkeits-Skala

versehen werden, weil pdyn = �/2 * w2 ist.

Mit dem Staurohr wird die Geschwindigkeit also indirekt bestimmt.

Bei Lüftungsanlagen, mit ihren Hindernissen, Umlenkungen usw. erge-

ben sich infolge der Reibung Druckverluste, welche der Ventilator durch

die von ihm bewirkte Erhöhung des statischen Druckes überwinden

muss. In Fig. 2-39 ist der typische Druckverlauf einer solchen Anlage

dargestellt.

55

Vor dem Ventilator sinken wegen der Saugwirkung der statische und

der Gesamtdruck. Nach dem Ventilator erreichen diese den höchsten

Wert. Im Wärmeübertrager entsteht ein beträchtlicher Druckverlust,

ebenso im 90°-Krümmer und ein geringerer in den dazwischen liegen-

den Kanalabschnitten. Im Raum wird nach dem Einblasen wieder der

Ausgangsdruck p0 erreicht.

Fig. 2-39 Druckverlauf in einer Lüftungsanlage

56

Die Körpertemperatur des Menschen beträgt ca. 37 °C, an der Haut-

oberfläche im Mittel jedoch nur etwa 33 °C. Diese Wärme erzeugt der

Mensch durch chemische «Verbrennung» (Oxydation) seiner Nahrung,

wobei im Prinzip jene Sonnenenergie wieder frei wird, die zum Aufbau

der Nahrungsmittel in der Pflanze erforderlich war.

Mit 33 °C an der Hautoberfläche liegt die Körpertemperatur des Men-

schen im europäischen Raum fast während des ganzen Jahres höher

als die Temperatur seiner Umgebung. Der Mensch gibt daher laufend

Wärme ab, und zwar ungefähr

– 35 % durch Wärmeleitung und Konvektion

– 35 % durch Wärmestrahlung

– 24 % mit dem Wasserdampf (Schwitzen, Atmen)

– 6 % für die Erwärmung von Speisen, Getränken und der

Atemluft (Fig. 2-40).

Fig. 2-40 Prozentuale Wärmeabgabe des Menschen

Die eben genannten prozentualen Anteile sind Mittelwerte. Im Sommer

oder bei harter körperlicher Arbeit wird die Wärme mehr durch Verduns-

tung abgegeben; im Winter dagegen mehr durch Konvektion und Strah-

lung.

In welcher Form die Wärme auch abgegeben wird: Der Körper ist

bestrebt, seine Normaltemperatur einzuhalten, da nur bei dieserTempe-

ratur die Lebensvorgänge normal ablaufen können. Im Winter schränkt

er deshalb die Wärmeabgabe ein, indem sich die Haut zusammenzieht,

so dass das warme Blut nicht mehr bis in die äussersten Kapillaren vor-

dringen kann; im Sommer oder in warmen Räumen erweitert er diese

2.4 Hygienische Grundlagen

2.4.1 Der Wärmehaushalt des Menschen

57

Blutgefässe so, dass eine vermehrte Wärmeabgabe durch Verdunstung

erfolgen kann. Dieser natürlichen Temperaturregelung sind aber Gren-

zen gesetzt. Dauernde Gefässverengung kann zum Erfrieren führen,

dauernde Gefässerweiterung zu einem zu grossen Blutdruckabfall

(Hitzekollaps). Der Mensch unterstützt diese automatische Temperatur-

regelung seines Körpers durch entsprechende Bekleidung und Nah-

rungszufuhr, sowie durch Heizen oder Kühlen seiner Aufenthaltsräume.

Die vom Körper abgegebene Gesamtwärmemenge hängt nicht nur von

der Umgebungstemperatur ab, sondern mehr noch von seinerTätigkeit

(Fig. 2-41).

Fig. 2-41 Tätigkeitsbezogene Wärmeabgabe eines erwachsenen Menschen in Watt

Diese Wärmemengen interessieren bei der Planung von Heizungs-, Lüf-

tungs- oder Klimaanlagen vor allem dann, wenn die Räume häufig mit

vielen Personen besetzt sind (z.B. Verkaufsläden, Bürogebäude, Schu-

len, Kinos oder Restaurants).

Der Wärmezuwachs in Gebäuden durch interne Wärmequellen wie

Lampen, Computer, Kopiergeräte etc. ist, aufgrund der guten Isolierung

von Gebäuden und der dichten Gebäudehülle, in den Spitzenzeiten oft

so gross, dass sogar im Winter noch gekühlt werden muss. Die anfal-

lende Wärme wird als innererWärmegewinn bezeichnet.

Dieses Beispiel zeigt bereits, dass eine komfortable Heizungs- & Lüf-

tungsanlage nicht nur auf den Normalfall ausgelegt sein darf, sondern

dass schon bei der Projektierung der Anlage auch an die maximale und

minimale Besetzung der Räume gedacht werden muss. Im Winter kann

der innere Wärmegewinn auch als Wärmebeitrag wieder zurückgewon-

nen und somit der Energieverbrauch reduziert werden. Im Sommer

dagegen muss er unter Einsatz erheblicher Energiemengen «wegge-

kühlt» werden.

In einem mittleren Kino produzieren 300 Personen immerhin zirka

30 kW, also bei einer 3-stündigen Vorführung eine Wärmeleistung von

gegen 100 kWh!

Die laufende Wärmeabgabe seines Körpers wird dem Menschen solan-

ge nicht bewusst, wie der Körper das Temperaturgleichgewicht mit der

Umwelt ohne Anstrengung aufrecht erhalten kann. Erst wenn diese

Grenze überschritten wird und er zu frösteln oder zu schwitzen beginnt

d.h. wenn er sich unbehaglich fühlt, erst dann merkt er, dass er «eine

Temperatur hat» und dass er mit dieserTemperatur in einem ständigen

Wärmeaustausch mit seiner Umgebung steht.

Ziel der HLK-Technik ist deshalb, die Aufenthaltsräume des Menschen

so zu behandeln, dass sein Körper ohne Anstrengung das Temperatur-

gleichgewicht mit dem Raum aufrechterhalten kann. Diese Aufgabe ist

gar nicht so leicht, denn so unterschiedlich wie der Charakter der Men-

schen, so unterschiedlich ist auch dessen Behaglichkeitsempfinden.

Innerer Wärmegewinn

58

Der Mensch ist, wärmephysikalisch gesehen, ein Körper mit einer Ober-

flächentemperatur von etwa 33 °C. Befindet er sich in einem Raum, sei

es sein Wohn-, Arbeits- oder sonst ein Aufenthaltsraum, so steht er mit

diesen 33 °C Oberflächentemperatur in einem ständigen Wärmeaus-

tausch mit den Wänden, der Decke, dem Fussboden, den Fenstern,

dem Heizkörper, ja sogar den Möbeln und den Lampen, kurzum mit sei-

ner Umgebung (Fig. 2-42). Ist die Temperatur seiner Umgebung zu nie-

drig, so gibt er zuviel Wärme ab. Er fröstelt oder friert und fühlt sich

unbehaglich (linke Bildhälfte). Ist die Umgebungstemperatur zu hoch, so

kann er seine Körperwärme nicht schnell genug abgeben. Er beginnt zu

schwitzen, und fühlt er sich auch in dieser Situation unbehaglich (rechte

Bildhälfte).

Fig. 2-42 Wärmeaustausch zwischen dem Menschen und seiner Umgebung

Wo liegt nun die richtige, vollauf behagliche Raumtemperatur, bei der

ein Mensch weder fröstelt noch schwitzt? Und welche anderen Krite-

rien spielen noch eine wichtige Rolle?

Die behagliche Raumtemperatur hängt zuerst einmal davon ab, welche

Tätigkeit der Mensch ausübt, denn wir wissen: Je grösser seine körper-

liche Leistung, desto grösser ist seine Wärmeproduktion. Und diese

Wärme muss der Körper ja abgeben können, wenn er sich behaglich

fühlen soll. Weitere Kriterien zur Bestimmung der behaglichen Raum-

temperatur sind:

– das persönliche Temperament

– die Essgewohnheiten

– die Bekleidungsgewohnheiten

Für Wohn-, Büro- und sonstige Aufenthalts- und Arbeitsräume, in denen

nur leichte Tätigkeiten ausgeübt werden, liegt die behagliche Raumtem-

peratur bei 20 bis 22 °C vorausgesetzt, dass sich der Raum in einem

gut isolierten Haus befindet. In einem Kellerraum mit kalten und feuch-

ten Wänden gäbe es sogar bei einer Raumtemperatur von 22 °C mit

Sicherheit ein unbehagliches Gefühl. Warum? Die Erklärung dafür liegt

darin, wie der Mensch seine Körperwärme abgibt:

– ca. 35 % durch Wärmeleitung und Konvektion

– ca. 35 % durch Wärmestrahlung

– ca. 30 % durch Verdunstung usw.

2.4.2 Die behagliche Raumtemperatur

59

Für die 35 % Wärmeabgabe durch Leitung und Konvektion, sowie für

die 30 % Wärmeabgabe durch Verdunstung bildet die Raumtemperatur

von 22 °C ein harmonisches «Gegengewicht», nicht aber für die 35 %

Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung, welche die vielleicht nur 12 °C

warmen (kaltfeuchten!) Kellerwände förmlich «aufsaugen». Durch die-

sen erheblichen Wärmeverlust empfindet der Mensch die Raumtempe-

ratur nicht mehr als 22 °C, die sie effektiv hat, sondern nur noch etwa

als 15 °C und fühlt sich daher unbehaglich.

Beträgt dagegen die Wandtemperatur z.B. 17 °C, so empfindet der

Mensch eine Raumtemperatur von 22 °C als etwa 18…19 °C und damit

im Allgemeinen als behaglich. Infolge des Strahlungseinflusses der

Wände müssen wir also zwischen der gemessenen und empfundenen

Raumtemperatur unterscheiden.

In Fig. 2-43 ist diese gegenseitige Strahlungsbeeinflussung durch unter-

schiedlich lange «Strahlen» dargestellt. Links wird die Strahlungsab-

gabe des Menschen nicht kompensiert, da die kalte Wand zu wenig

Wärmestrahlung abgibt. 22 °C Raumtemperatur werden daher nur als

ca. 15 °C empfunden. Rechts dagegen befinden sich Mensch und

Wand etwa im Strahlungs-Gleichgewicht.

In allen schlecht oder ungenügend isolierten Bauten finden wir, dass es

von den Aussenwänden «zieht». Die vermehrte Strahlungsabgabe an

diese kalten Wände verursacht ständig das Gefühl, «als fiele einem ein

kalter Luftstrom in den Nacken».

Fig. 2-43 Strahlungseinfluss und Behaglichkeit

Abhilfe schafft hier nur eine etwas erhöhte Raumtemperatur, so dass

die empfundene Temperatur 20 °C beträgt, obgleich die effektive Raum-

temperatur bei 22…23 °C liegt. Das Diagramm (Fig. 2-44) veranschau-

licht diese Temperaturzusammenhänge. Links Wandtemperatur, unten

Temperatur der Raumluft.

60

Fig. 2-44 Diagramm für die Bestimmung der erforderlichen Wandtemperatur für eine

behagliche Raumtemperatur

Liegt der Schnittpunkt der beiden Temperaturwerte im schraffierten

Bereich, so wird die Raumtemperatur im allgemeinen als behaglich

empfunden. Dieses Diagramm gilt natürlich nur für Wohn- und Büro-

räume sowie Arbeitsräume, in denen keine schwere körperliche Arbeit

verrichtet wird.

Kalte Flächen mit entsprechendem «Behaglichkeitsentzug» sind auch

die Fenster. Doppel- oder Isolierverglasung können diese Störeinflüsse

reduzieren.

Die Heizkörper werden unter den Fenstern angebracht und schaffen

nicht nur einen Wärmevorhang vor den Fenstern, sondern kompensie-

ren durch ihre Wärmestrahlung auch weitgehend die vermehrte Strah-

lungsabgabe des Menschen an die kalten Fensterflächen. Fig. 2-45

zeigt den gegenseitigen Strahlungsaustausch bei den verschiedenen

Heizungsarten.

Bei Radiatorenheizungen wird eine übermässige Wärmestrahlung zu

heisser Heizkörper als unbehaglich empfunden, da ja der Mensch dann

seinen eigenen Strahlungsanteil nicht ungehindert abgeben kann, son-

dern im Gegenteil noch «aufgeheizt» wird.

Ebenfalls aus Behaglichkeitsgründen darf bei Deckenstrahlungsheizun-

gen bei einer Raumhöhe < 2,50 m eine Deckentemperatur von 32 °C

nicht überschritten werden, und bei einer Fussbodenheizung ist an den

ständig begangenen Stellen nur eine Oberflächentemperatur von

25…26 °C zulässig.

Eine Kühldecke dagegen wird als angenehm empfunden, weil die

Körperwärme abstrahlen kann (Ein kühler Kopf und warme Füsse waren

schon immer gut!).

61

Fig. 2-45 Strahlungsaustausch bei Heizkörper-, Fussboden- und Deckenheizung

Diese Behaglichkeitstemperaturen gelten aber nur als Mittelwerte für

Wohn-, Aufenthalts- und Arbeitsräume, in denen leichte Arbeiten ver-

richtet werden, also Büro- und Verkaufsräume, Laboratorien usw. In

Räumen, in denen schwere Arbeiten verrichtet werden, muss die

Raumtemperatur erheblich niedriger liegen, damit der menschliche

Körper seine Wärme, möglichst ohne zu schwitzen, abführen kann.

Für die behagliche Raumtemperatur gibt es also kein festes Mass, denn

die Reihe der Faktoren und Einflüsse, die die Behaglichkeit bestimmen,

geht noch viel weiter:

Bei zu trockener Luft werden die Schleimhäute durch den Staubgehalt

der Luft viel stärker gereizt als bei normaler Luftfeuchtigkeit. Zu feuchte

Luft empfindet der Mensch dagegen als «schwül», weil er hier den

Verdunstungsanteil seiner Gesamtwärmeabgabe nicht ungehindert

abgeben kann.

Zu starke Luftbewegung bei normaler Lufttemperatur steigert die Wär-

meabgabe durch Verdunstung resp. Konvektion und wird als Kälte oder

Zug empfunden.

Rauch, Staub und verbrauchte Luft werden als unbehaglich empfunden

(Übelkeit).

Wenn der Sauerstoffgehalt zu niedrig ist, ist der Kohlendioxydgehalt

(CO2) der Luft zu hoch. Dies führt von Müdigkeit zu Übelkeitsgefühlen

bis Ohnmacht, in überfüllten, meist auch überheizten Sälen.

Der elektrostatische Ladezustand der Luft, besonders vor und nach

Gewittern, bei Föhn usw. beeinflusst sehr stark das Behaglichkeitsemp-

finden (Nervosität, Reizbarkeit, Kreislaufbeschwerden).

All diese Faktoren muss die Lüftungs- und Klimatechnik zusätzlich zur

Temperaturregelung berücksichtigen. Darüber hinaus spielen im Hin-

blick auf das Behaglichkeitsgefühl auch die Farbe und Grösse der Räu-

me, ihre Möblierung,Teppiche, Beleuchtung usw. eine grosse Rolle,

denn auch diese Elemente werden als «warm» oder als «kalt» empfun-

den und der Aufenthalt in diesen Räumen als angenehm oder unange-

nehm. Dabei hat jede und jeder von uns sein eigenes, ganz individuel-

les Behaglichkeitsempfinden, so dass bei kollektiv benützten Räumen

immer nur mit mittleren Behaglichkeitswerten gerechnet werden kann.

Luftfeuchtigkeit

Luftbewegung

Luftreinheit

Sauerstoffgehalt

Ionisierungsgrad

62

Wir sehen also: Die behagliche Raumtemperatur gibt es tatsächlich

nicht. Im Hinblick auf behagliches Wohnen (und Arbeiten!) merken wir

uns aber:

– Entscheidend ist nicht die eingestellte und gemessene Lufttempera-

tur, sondern allein die empfundene Raumtemperatur.

– In Bauten mit schlecht isolierten und daher kalten Aussenwänden

wird die Raumtemperatur stets als kühler empfunden als sie effektiv

ist, da der Körper hier übermässig viel Wärme verliert. Abhilfe schafft

nur eine etwas höhere Raumtemperatur. Dies gilt auch für noch

nicht ausgetrocknete Neubauten.

Ein Raumtemperaturregler sollte aus all diesen Gründen immer nach

dem Behaglichkeitsempfinden eingestellt werden, wobei die

«üblichen» Normwerte nur als Richtwerte für die Ersteinstellung zu

betrachten sind.

63

Mit einer Heizungsanlage wird das Bedürfnis der Gebäudebenutzer

nach angenehmer Raumtemperatur auch bei kalter Witterung zufrieden-

gestellt. Eine Heizungsanlage kann grob in die folgenden Bereiche

unterteilt werden:

• Wärmeerzeugung

• Wärmeverteilung

• Wärmeabgabe

Die Heizungsanlage wird oft auch mit einer Einrichtung zur Erwärmung

von Brauchwarmwasser kombiniert.

Fig. 3-1 Einfache Heizungsanlage mit integrierter Brauchwassererwärmung

Wärmeerzeugung

1 Heizkessel

2 Brenner

3 Brauchwassererwärmer

4 Kesselpumpe

5 Sicherheitsventil

6 Ausdehnungsgefäss

Wärmeverteilung, Regelung

7 Heizungsleitungen (Vorlauf-, Rücklauf-

und Bypassleitungen)

8 Umwälzpumpe

9 Regelventil mit Stellantrieb

10 Heizungsregler

11 Vorlauftemperaturfühler

12 Aussentemperaturfühler

Wärmeabgabe

13 Heizkörper

3.1 Einfache Heizungsanlage

3. Übersicht Heizungsanlagen

64

Heizungssysteme können nach verschiedenen Kriterien, wie z.B. Was-

sertemperatur, Art der Wasserführung, Energieart, usw. eingeteilt wer-

den. Eine mögliche Einteilung zeigt die nachfolgende Zusammenstel-

lung. Die gezeigten Temperaturen (100 °C resp. 120 °C) beziehen sich

auf die, am Sicherheitstemperaturbegrenzer eingestellten Werte. Die

Einteilung ist von Land zu Land etwas unterschiedlich und basiert auf

den jeweiligen Normen und Vorschriften.

Fig. 3-2 Einteilung von Heizungs-Systemen (entspricht Zuordnung in Deutschland)

für Öl oder Gas und feste Brennstoffe werden heute nur noch für klei-

nere Leistungen hergestellt. Sie sind für beide Brennstoffarten nicht

optimal und sollten deshalb in der Regel nicht mehr eingesetzt werden.

die für diese Brennstoffe allein gebaut sind, werden in vielen Aus-

führungsvarianten angeboten. Diese können in die folgenden Bauarten

zusammengefasst werden:

Guss- und Stahlkessel mit nach unten begrenzter Kesselwassertem-

peratur und tiefer Abgastemperatur. Diese Bauart kann heute als

Standardausführung für grosse Kessel bezeichnet werden. Wegen der

relativ hohen Kesselwassertemperatur ist bei dieser Bauart praktisch

immer ein Mischventil für die Vorlauftemperaturregelung erforderlich.

Heizkessel für gleitende Kesselwassertemperatur und relativ hohe

Abgastemperatur. Die Abgas-Kondensatbildung in der Brennkammer,

bei gleitender Betriebsweise, wird durch spezielle Materialkombinatio-

nen in Verbindung mit einer «heissen Brennkammer» verhindert.Tiefe

Abgastemperaturen sind jedoch bei dieser Bauart nicht möglich.

Chromstahlkessel für gleitende Kesselwassertemperatur und tiefe

Abgastemperatur. Die Einschränkungen der Bauarten A und B werden

hinfällig, wenn der Kessel aus einem korrosionsbeständigen Material

gebaut wird. Der Preis eines Chromstahlkessels ist jedoch entspre-

chend höher.

Heizungs-Systeme

Zentralheizungen Fernheizungen Heizkraftwerke Sonderformen

Warmwasser Warmwasser Dampfkraftwerk Wärmepumpe

� 100 °C � 100 °C – El. Strom

– Heizwärme

Solaranlage

Heisswasser Heisswasser BHKW

� 120 °C � 120 °C (Blockheizkraftwerk)

PWWH > 120 °C – Nahwärme TABS

(Pumpenwarmwasser) (thermisch aktive

Dampf Bauteil-Systeme)

Dampf

Luft

3.2 Einteilung der Heizungssysteme

3.3 Wärmeerzeugung bei Warmwasser-

Zentralheizungen

3.3.1 Öl- und Gasheizkessel

3.3.1.1 Heizkessel-Bauarten

Umstell-, Wechsel- und

Doppelbrandkessel

Öl- und Gaskessel

Bauart A

Bauart B

Bauart C

65

Kondensationskessel oder Brennwertkessel. Durch möglichst vollstän-

dige Kondensation des Wasserdampfanteils der Abgase (Taupunkt bei

Öl EL ca. 47 °C; bei Erdgas ca. 57 °C) wird auch die darin enthaltene

Verdampfungswärme (ca. 10 % für Gas, ca. 6…7 % für Öl) genutzt.

Weil die Kesselwirkungsgrade üblicherweise auf den unteren Heizwert

Hu bezogen werden, der die latente Wärme nicht enthält, ergeben sich

bei Kondensationskesseln relative Wirkungsgrade von über 100 %! Die-

se Interpretation ist natürlich technisch nicht zulässig. Korrekt wäre die

Bezugnahme des Wirkungsgrades auf den oberen Heizwert Ho, den

sog. «Brennwert», der die gesamte Wärmemenge wiedergibt, die bei

der Verbrennung des Brennstoffes entsteht. Voraussetzung für die Kon-

densation des Abgases sind entsprechend tiefe Rücklauftemperaturen

(< 40 °C) aus den Wärmeverbrauchern. Ausserdem müssen einige Pro-

bleme bezüglich Korrosion, Verschmutzung, Ableitung und Neutralisa-

tion des Kondensats usw. gelöst werden. Diese Probleme sind für

Gaskessel wesentlich einfacher zu lösen als für Ölkessel.

sind Öl- oder Gaskessel mit eingebautem Brauchwasser-Erwärmer

(Boiler). Mit den heutigen Konstruktionen für kombinierte Heizung und

Warmwasserversorgung sind wirtschaftlich akzeptable Lösungen

möglich.

Bei einem separaten Speicher-Wassererwärmer (Beistell-Boiler) für

einen Tagesbedarf, mit Elektroheizeinsatz, kann der Heizkessel im

Sommer stillgelegt werden. Für die Kombination mit Sonnenkollektoren

siehe Kapitel 3.3.3.

In Grossanlagen führt die Forderung, einen Tagesbedarf zu speichern,

zu sehr grossen Speichervolumen. Zudem sinkt die Warmwassertem-

peratur, wegen der Verluste im ausgedehnten, oft schlecht isolierten

Zirkulationssystem, gegen Abend stark ab.

Mit einem separaten, nur für das Warmwasser reservierten, kleineren

Kessel werden beide Probleme vermieden: Das erforderliche Speicher-

volumen ist kleiner, und die Warmwassertemperatur im Speicher muss

morgens nicht überhöht werden, damit sie abends noch genügt.

Für Öl- und Gasheizkessel werden heute die folgenden Brennerkon-

struktionen verwendet:

Das Heizöl wird unter hohem Druck durch die Düse in feine Tröpfchen

zerstäubt und anschliessend mit der Verbrennungsluft vermischt. Je

feiner die Zerstäubung, umso besser die Verbrennung aber umso höher

wird auch die Störanfälligkeit des Brenners. Bei kleinen Brennern

bewirkt eine Düsenstangen-Vorwärmung den russfreien Anlauf.

Bauart D

3.3.1.2 Warmwasserversorgung

mit dem Heizkessel

Kombikessel

Separate Speicher-Wasserwärmer

Separater Warmwasser-Kessel

3.3.1.3 Brenner

Öl-Zerstäuberbrenner

66

Fig. 3-3 Öl-Zerstäuberbrenner (Funktionsprinzip)

1 Ölzuleitung 6 Düse

2 evtl. Rückleitung zum Tank 7 Ventilator

3 Filter 8 Brennerkopf

4 Ölpumpe und Druckregelventil 9 Zündtrafo

5 Magnetventil 10 Zündelektroden

Fig. 3-4 Mehrkessel-Anlage mit Öl-Zerstäuberbrenner (hinten mit Schalldämmhaube)

Durch Ölverdampfung wird der Öl- zum Gasbrenner und erzeugt eine

blaue Flamme (Blaubrenner). Dadurch kann die Zerstäubung umgan-

gen, die Verbrennungsqualität erhöht und der Schadstoffausstoss (CO,

CH, NOx) reduziert werden. Beim Brennerstart sorgt eine Elektro-Hei-

zung für die Verdampfung und erhöht dadurch den Stromverbrauch.

einstufige Brenner ab ca. 10 kW

zweistufige Brenner ab ca. 25 kW

modulierende Brenner (stetig ab ca. 40 %) ab ca. 200 kW

Blaubrenner

Leistungen

67

Aufbau und Leistungsstufen sind ähnlich wie beim Öl-Zerstäuber-

brenner. Anstelle der Feinheit der Zerstäubung ist hier die Dichtheit der

Gaszufuhr das Hauptproblem. Die Gasstrasse (3) überwacht das Gas-

zufuhrsystem auf Undichtheiten.

Fig. 3-5 Gas-Gebläsebrenner

1 Ventilator 5 Brennerkopf

2 Luftklappe 6 Zündtrafo

3 Gasstrasse 7 Zündelektroden

4 Gasinjektor

Zweistoffbrenner sind Gebläsebrenner, die ohne Umbau mit Gas und

Öl betrieben und auch automatisch umgeschaltet werden können.

Sie werden ein-, zweistufig oder modulierend gesteuert und sind ab ca.

25 kW erhältlich. Vorteile sind die Versorgungssicherheit sowie der

günstigere Gaspreis durch die Möglichkeit, zu Spitzenzeiten des Gas-

bezugs auf Ölfeuerung umzuschalten.

Die meisten atmosphärischen Gasbrenner werden entweder als Bren-

nerrost mit mehreren Stabbrennern oder als Rundbrenner mit einem

oder mehreren Ringen gebaut. Die Anpassung an die verschiedenen

Gasarten (Erdgas, Flaschengas) geschieht mittels entsprechenden

Düsen. Es gibt einstufige Brenner für Leistungen ab 2 kW sowie zwei-

stufige oder modulierende Brenner.

Fig. 3-6 links: Gas-Spezialkessel aus Grauguss mit Brenner ohne Gebläse

(Quelle: Buderus)

rechts: Wandmontierter Brennwert-Gaskessel (mit Gebläsebrenner; Schnittbild)

1 Wärmeschutz 8 Abgas

2 Brenngas 9 Vorlaufwasser

3 Gas- Luftgemisch 10 Brennraumüberdruck

4 Gasdüsen 11 Heizgaswege

5 Luftdüsen 12 Rücklaufwasser

6 Verbrennungsgebläse 13 Rippenrohre Aluguss

7 Zufuhr Verbrennungsluft 14 Kondensat

Gas-Gebläsebrenner

Zweistoffbrenner

3.3.1.4 Atmosphärische Gasbrenner

68

Zu den atmosphärischen Gasbrennern gezählt wird auch der Gasinjek-

tor-Brenner.

Ein Teil der Verbrennungsluft wird vom Gasinjektor als Primärluft ange-

saugt.

Die Sekundärluft strömt wegen des thermischen Auftriebs der Flam-

men nach oder wird – bei grossem Kesselwiderstand – von einem

Abgasventilator nachgesaugt. Anstelle einer ständig brennenden Zünd-

flamme wirkt heute eine elektronische Zündung.

Fig. 3-7 Atmosphärischer Gasinjektor-Brenner

1 Gaszufuhr 4 Brenner

2 Gasstrasse 5 Flammenüberwachung

3 Gasinjektor 6 Zündflamme

Einem normalen Heizkessel ohne Brenner wird ein Holzgasgenerator

vorgeschaltet. Darin werden Holz und Holzabfälle von begrenzter Stück-

grösse und nicht mehr als 20 % Feuchtigkeit verschwelt und bei

1000…1300 °C in Holzgas umgewandelt. Dieses strömt in den Heiz-

kessel wo es verbrannt wird.

Unter günstigen Bedingungen sind die Vorteile:

• hoher Wirkungsgrad wegen der praktisch vollständigen Verbrennung

der Schwelgase

• keine Verpechung von Kessel und Kamin

• rauchfreie Abgase

• lange Beschickungsintervalle möglich

• einfache Leistungsregelung

Speziell für die Beschickung mit grobem Stückholz (Spälten) konstruier-

te Kessel werden in ländlichen, bewaldeten Gegenden eingesetzt,

wo der Antransport und die manuelle Aufbereitung des Holzes, sowie

auch die Beschickung des Kessels keine speziellen Probleme ergeben

(z.B. in Bauernhöfen, Käsereien und anderen Klein-Gewerbebetrieben).

Solche Kessel sind im Leistungsbereich von ca. 20…100 kW erhältlich

und lassen sich nach der Feuerungsart unterscheiden:

Feuerung mit Durchbrand, bei welcher der gesamte eingefüllte Brenn-

stoff im Feuer liegt. Die Holzstücke werden gut luftdurchlässig aufge-

schichtet und verbrennen dadurch mit Luftüberschuss. Der feuerungs-

technische Wirkungsgrad wird dadurch kaum über 70 % liegen.

3.3.1.5 Holzgas-Vorfeuerung

3.3.1.6 Manuell beschickte

Stückholz-Feuerung

Feuerung mit Durchbrand

69

Feuerung mit unterem Abbrand: Die Holzstücke (Spälten bis zu 1,6 m

Länge) werden ziemlich kompakt bis ca. 1,5 m Höhe aufgeschichtet und

nur in der untersten Zone verbrannt. Die Verbrennungsluft wird über

Gebläse zugeführt und für die optimale Verbrennung dosiert. Weil das

noch nicht brennende Holz in der heissen Brennkammer liegt, ent-

wickelt es Schwelgase, die mit Sekundärluft vermischt und in einer spe-

ziell dafür konstruierten Nachbrennzone verbrannt werden. Dadurch

werden feuerungstechnische Wirkungsgrade von > 90 % erreicht. Der

vollständige Abbrand einer Beschickung dauert etwa 4…6 Std. Und die

dabei erzeugte Wärmeleistung reicht in der Regel für einen 24-Stunden-

Wärmebedarf aus.

Fig. 3-8 Holz-Kessel mit unterem Abbrand (Quelle: Fröling)

Gemäss den Sicherheitsvorschriften muss die Anlage jederzeit in der

Lage sein, die Wärmekapazität einer Beschickung abzunehmen, bzw.

zu speichern. Deshalb werden solche manuell beschickten Stückholz-

Kessel praktisch immer in Kombination mit einem Wärmespeicher

betrieben, der im Notfall auch elektrisch geladen werden kann.

Feuerungen mit automatischer Zufuhr des Brenngutes erlauben einen,

dem Wärmebedarf angepassten, vollautomatischen Teillastbetrieb von

bis zu 10 % der Spitzenlast. Dieser ist nicht nur bei Öl- oder Gasfeue-

rung, sondern auch bei speziellen Holzfeuerungen möglich. Dazu gehö-

ren die folgenden Systeme:

• Unterschubfeuerung, mit Stückholz aus einem Silo mit «Langsam-

zerhacker».

• Unterschubfeuerung mit Holz-Hackschnitzeln (Fig. 3-9). Je nach der

Grösse der Anlage werden die Schnitzel mit einer stationären, zur

Feuerungsanlage gehörenden Hackmaschine (Grossanlagen) oder

mit mobilen Maschinen hergestellt. Eigentliches Problem ist der

Feuchtigkeitsgehalt der Hackschnitzel. Zwar können Schnitzel mit

25…3 % Feuchte, wie sie bei nur kurzer Waldlagerung anfallen, gut

verfeuert werden. Der Schwefelgehalt der sog. "Grünschnitzel" ist

jedoch hoch und der Heizwert relativ schlecht. Ein optimaler Heiz-

wert und minimaler Schwefelgehalt wird nach einerTrocknungszeit

von 3 bis 4 Jahren erreicht. Für eine wirtschaftlichere Nutzung des

verfügbaren Holzmaterials sowie für die Belieferung kleinerer Anla-

gen (ab 30 kW!) sollten die Schnitzel jedoch von grossen, dezentra-

len Trocknungslagern bezogen werden können.

• Einblasfeuerung für feinkörnige Abfälle (Späne, Schleifstaub) der

holzverarbeitenden Industrie.

Feuerung mit unterem Abbrand

3.3.1.7 Automatische Stückholz- und

Schnitzelfeuerungen

70

Fig. 3-9 Automatische Unterschubfeuerung mit Holz-Hackschnitzeln

Pellets kommt aus dem Englischen und heißt Kügelchen oder Röllchen.

Diese Röllchen mit einem Durchmesser von 6 bis 8 mm und einer

Länge von ca. 35 mm, werden ausschließlich aus trockenem, natur-

belassenem Restholz ohne chemische Zusätze unter hohem Druck

gepresst. 2 kg Holzpellets ersetzen 1 Liter Heizöl.

Holzpellets

• sind erneuerbare Energie aus Restholz und CO2 neutral

• verbrennen in einem Pellets-Kessel emissionsarm

• haben ein hohes Schüttgewicht und benötigen dadurch nur wenig

Lagerraum

• werden im Inland produziert und haben daher kurze Transportwege

Fig. 3-10 Pellets – aus naturbelassenem Restholz gepresste Röllchen

Die Anforderungen an die Pellets sind in verschiedenen Normen

(DIN, Ö-Norm, …) klar vorgeschrieben. Nachfolgend als Beispiel die

österreichische Spezifikation für hochwertige Pellets:

Heizwert 4,8 kWh/kg

Schüttgewicht min. 650 kg/m3

Dichte 1,12 kg/dm3

Wassergehalt max. 10,0 %

Ascheanteil max. 0,5 %

Länge max. 25 mm

Durchmesser 5–6 mm

Staubanteil max. 10 %

Inhalt 100 % Holz mit max. 15 % Rindenanteil

3.3.1.8 Pellets-Heizkessel

Pellets

71

Moderne Pellets-Kessel bieten hohen Komfort. Es gibt kleine Ausfüh-

rungen, die im Wohnraum platziert werden können. Diese werden mit

Pellets aus handlichen Säcken alle 2–3 Tage versorgt.

Fig. 3-11 Pelletsofen für Wohnraumaufstellung mit Pellets-Vorratbehälter

(Schnittbild rechts)

Grössere Pellets-Kessel werden im Technikraum eingebaut. Die Pellets

werden in einem separaten Raum gelagert, von wo sie dem Kessel

nach Bedarf automatisch über Förderschnecken oder Saugsysteme

zugeführt werden. Die Anlieferung der Pellets erfolgt mit dem Tanklast-

wagen, der die Pellets in den Lagerraum einbläst.

Fig. 3-12 Pelletsheizkesselanlage (Quelle: Oekofen)

1 Pelletsheizkessel

2 Pelletslager

3 Vakuumförderanlage

Koks und Kohle werden heute vorwiegend in Grossanlagen verfeuert,

wo die Emission (d.h. Ausströmen luftverunreinigender Stoffe in die

Aussenluft) von Schadstoffen besser beherrschbar ist als in Kleinanla-

gen. Wegen ihrer genormten Körnung eignet sich Kohle gut für die

automatische Beschickung. Heute werden bereits Kleinkessel in der

Leistungsgrösse ab 15 kW für vollautomatischen Dauerbetrieb – ähnlich

der Öl- oder Gasfeuerung – angeboten.

3.3.2 Koks- und Kohlekessel

72

In diesem Kapitel wird die Nutzung der Solarwärme nicht nur für die

Heizung, sondern auch für die Warmwasserversorgung behandelt.

Die Sonne bringt in Zentraleuropa dann am wenigsten Wärme, wenn

der Wärmebedarf am grössten ist, nämlich in den Monaten Dezember

und Januar. Dies ist eine ungünstige Voraussetzung, um ein Gebäude

ausschliesslich (monovalent) mit Sonnenwärme zu heizen. Solche Anla-

gen wurden zu Forschungszwecken zwar schon realisiert, zeigten

jedoch bisher noch ein schlechtes Nutzen/Aufwand-Verhältnis. In unse-

ren Klimaregionen wird Sonnenenergie deshalb meist in Kombination

mit anderen Energiequellen (Öl, Gas, Holz, Elektrizität etc.) genutzt. Die

Devise heisst dabei: «soviel Solarwärme, wie es unter den gegebenen

Umständen sinnvoll ist». Welchen Anteil des Jahreswärmebedarfes die

Sonne deckt, hängt von vielen Faktoren ab.

Dieser sogenannte solare Deckungsgrad wird auf den Netto-Energie-

bedarf (nach Abzug der Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung und

innerer Abwärme) bezogen.

Bei kombinierter Wärmeerzeugung für Raumheizung und Warmwas-serverbrauch kann im Falle eines Einfamilienhauses, mit heute

üblicher Wärmedämmung, ein solarer Deckungsgrad von rund 50 %

erreicht werden. Höhere Werte als 50 % sind zwar erreichbar, aber nur

bei ausgezeichneter Wärmedämmung und sehr gross bemessener, d.h.

unwirtschaftlicher Solar-Anlage.

Für die Brauchwasser-Erwärmung beträgt der solare Deckungsgrad

(bei ausreichender Speichergrösse) im Sommer nahezu 100 %.

Bei grösseren Bauten hängt der Deckungsgrad vom Anwendungs-

zweck der Solarwärme, von der Klimazone und vom Gesamtkonzept ab.

Es ist deshalb möglich, dass ein sehr geringer solarer Deckungsgrad

von 5…20 % dem wirtschaftlichen Optimum entspricht!

Freibäder können ausschliesslich mit Sonnenwärme beheizt werden,

wenn gelegentliche Nutzungseinschränkungen (z.B. bei schlechtem

Wetter) in Kauf genommen werden.

In der bivalenten Anlage (Fig. 3-13) übernimmt der Solarkreislauf wäh-

rend den Übergangszeiten im Herbst und im Frühjahr den grössten Teil

der Wärmeerzeugung. Der Heizkessel wird vor allem im Winter benötigt

und ist dann gut ausgelastet.

So arbeiten Solarkreislauf und Kessel jeweils im günstigen Arbeitsbe-

reich.

Das konventionelle System (B) wird ergänzt durch den Solarteil (A). Die

im Kollektor (1) erzeugte Solarwärme wird über ein geschlossenes

Rohrsystem, den Solarkreislauf (2) an den Speicher (3) abgegeben.

Bei ungenügender Speichertemperatur liefert der Heizkessel (4) die

fehlende Wärme. Das im Speicher erwärmte Heizwasser zirkuliert

direkt durch die Heizflächen (5) und erwärmt auch das Brauchwasser im

Chromstahl-Rohrbündel (6) indirekt.

3.3.3 Sonnenenergie-Nutzung

Vorbemerkung

Welchen Anteil des Wärmebedarfes

deckt die Sonne?

3.3.3.1 Bivalente Anlage für

Raumheizung und Warmwasser

73

Fig. 3-13 Beispiel einer bivalenten Solaranlage mit konventionellem Wärmeerzeuger und

Verteilsystem für Raumheizung und Warmwasser

Dieses Anlagenbeispiel zeigt den Wärmespeicher (3) nicht nur als

Behälter des Speichermediums Wasser, sondern auch in seiner ebenso

wichtigen Funktion als hydraulisches Entkopplungsglied zwischen den

thermisch zusammenwirkenden Erzeuger- und Verbraucherkreisläufen.

So kann z.B. die Pumpe des Solarkreislaufs ein- und ausgeschaltet wer-

den, ohne die Druckverhältnisse im Kessel- und in den Verbraucher-

kreisläufen zu beeinflussen. Ebenso bewirkt die Zuschaltung des Kes-

selkreislaufes nurTemperatur- und keine Druckänderungen im Speicher.

Und schliesslich haben auch die variablen Wassermengen der Verbrau-

cherkreise 5 und 6 keinen hydraulischen Einfluss auf die beiden Erzeu-

gerkreise. Es wäre sicher eine interessante Aufgabe, das Hydraulikkon-

zept dieser Anlage ohne Speicher zu entwerfen! Der in diesem Schema

gezeigte Solarteil (A) wiederholt sich in ähnlicher Form in vielen Anwen-

dungsfällen. Seine Hauptteile werden nachstehend kurz beschrieben.

Für Raumheizung und Warmwasser hat sich der fest montierte, ver-glaste Flachkollektor (Fig. 3-14) durchgesetzt. Er ist einfach im Auf-

bau, relativ kostengünstig, praktisch wartungsfrei und gut in den Bau-

körper integrierbar. Flachkollektoren gibt es als aufmontierte Einzelkol-

lektoren für Schräg- und Flachdächer oder als ins Schrägdach integrierte

Kollektorfelder. Die letzteren ergeben in der Regel kleinere Kosten und

höhere Leistungen (kleinere Randverluste) als aufmontierte Kollektoren.

Fig. 3-14 Verglaster Flachkollektor (rechts eingebaut in Dach)

1 Blechgehäuse 3 Absorberplatte

2 Verglasung 4 Wärmedämmung

2

3.3.3.2 Der Sonnenkollektor

als Wärmelieferant

74

Flachkollektoren enthalten eine schwarze Absorberplatte, auf welcher

die Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt wird. Die Absorberplatte

ist von Kühlkanälen durchzogen, durch welche die Wärmetransportflüs-

sigkeit zirkuliert. Die Platte ist in einem wärmegedämmten Gehäuse

eingebaut und zur Sonne hin mit Glas abgedeckt. Kollektoren dieser Art

erreichen Höchsttemperaturen von über 100 °C und sind damit in der

Lage, die für Heizung und Warmwasser nötigen Temperaturen von

30…70 °C direkt und mit gutem Wirkungsgrad zu liefern. Für eine

Schwimmbadheizung sind wegen des niedrigeren Temperaturniveaus

unverglaste Flachkollektoren meist zweckmässiger und wirtschaft-

licher.

Während die Sonnenlichtstrahlen die Verglasung ungehindert durchdrin-

gen, wird die von der Absorberplatte ausgesandte Wärmestrahlung von

der Glasfläche reflektiert. Weil sich aber auch Luft im Kollektorgehäuse

befindet, die erhitzt wird, überträgt diese Luft einen Teil der erzeugten

Wärme auf die Verglasung und das erhitzte Glas gibt diese Wärme an

die Aussenluft ab. Dadurch geht bei einfach verglasten Flachkollektoren

30…40 % der eingestrahlten Sonnenenergie wieder verloren. Versuche

mit Doppelverglasungen brachten negative Resultate weil diese nicht

nur wesentlich teurer waren, sondern auch wegen den Wärmedeh-

nungsspannungen viel häufiger brachen. Man entschied sich deshalb

für grössere Kollektorflächen mit Einfachverglasung. Richtwerte für den

Brutto-Jahresertrag einfach verglaster Flachkollektoren sind in Mittel-

europa:

400…500 kWh/m2 bei 60 °C mittlerer Kollektortemperatur

500…60 kWh/m2 bei 40 °C mittlerer Kollektortemperatur

In besonders sonnigen Lagen werden bis 50 % höhere Werte

gemessen.

Die Kollektoren müssen die bei Stillstand auftretenden Spitzentempera-

turen aushalten können.Trotzdem sollte man sie bei längeren Still-

standszeiten gegen die Strahlung abdecken, um eine längere Lebens-

dauer zu erreichen.

Der Solarkreislauf besorgt den Wärmetransport vom Kollektor zumSpeicher.Er umfasst das geschlossene Rohrsystem, eine Umwälzpumpe mit

Hilfsarmaturen, einen Wärmeübertrager zur Abgabe der Solarwärme

ans Heizsystem sowie ein Steuergerät, welches die Pumpe solange

einschaltet, wie die Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Abga-

beort im Speicher genügend gross ist. Als Transportmedium dient eine

Wärmeträgerflüssigkeit mit Frostschutz- und Korrosionsschutzmitteln,

üblicherweise ein Gemisch von Wasser und Glykol oder ähnlichen

Flüssigkeiten. Weil die Durchflussmengen nur 20 bis 30 Liter pro Stun-

de und pro m2 Kollektorfläche betragen, genügen relativ kleine Rohre

und Umwälzpumpen.

Wärmeleistung

Temperaturfestigkeit

3.3.3.3 Der Solarkreislauf

75

Er hat die Aufgabe, die unregelmässig anfallende Sonnenenergie so zu

speichern, dass die Wärme entsprechend dem Bedarf abgegeben und

möglichst viel Energie verwertet wird.

Speicher wurden in der Vergangenheit oft zu gross bemessen. Messun-

gen haben aber gezeigt, dass kleinere Speicher meist ein besseres

Kosten-Nutzen-Verhältnis ergeben. Allerdings ist bei kleinen Speichern

eine zweite verfügbare Wärmequelle erforderlich.

Als grober Richtwert können 50…100 Liter Speichervolumen pro m2

Kollektorfläche angenommen werden. Für Anlagen mit Raumheizung

und Warmwasser gilt eher die obere, für reine Warmwasser-Anlagen

eher die untere Grenze. Im Falle eines Einfamilienhauses wäre dem-

nach ein Warmwasserspeicher von etwa 350…500 Liter oder ein kom-

binierter Heiz- und Warmwasserspeicher von rund 1000…2000 Liter

erforderlich.

Direkte Solarheizung für industrielle Prozesse oderWarmwasser-Vorwärmung im Durchfluss-VerfahrenIst ein dauernd gleichmässiger Wärmeverbrauch vorhanden, so wird die

Solarwärme direkt «vom Produzenten zum Konsumenten» genutzt. Der

«Zwischenhandel» ist auf den Wärmetauscher und den Solarkreislauf

ohne Motorventile beschränkt. Seine Kosten sinken damit auf einen

Drittel bis einen Viertel der Kollektor-Kosten. Solche Direktnutzungen

sind besonders wirtschaftlich.

Grössere Anlage fürWarmwasser-VorwärmungAnlagen mit hohem Warmwasserverbrauch (Hotels, Sportanlagen,

Kasernen, usw.) bieten günstige Voraussetzungen für eine gute Wirt-

schaftlichkeit: Bei grossen Kollektorfeldern sinkt der Anteil der Solar-

kreislauf-Kosten an den Gesamtkosten, und der Wirkungsgrad ist hoch,

weil im Bereich von 10…30 °C in der Kaltwasserzone gearbeitet wird.

So entsteht praktisch keine unverwertete Überschusswärme.

Fig. 3-15 Grössere Anlage zur solaren Vorwärmung von Warmwasser

Warmwasser mit Schwerkraft-SolarkreislaufDie Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert von selbst, solange die Tempera-

turdifferenz zwischen den Kollektoren und dem höherliegenden Spei-

cher genügend gross ist. Wichtig sind etwa doppelt so grosse Leitungs-

querschnitte wie bei Pumpenzirkulation sowie der Aufbau und

Anschluss des Wärmetauschers. Die Wärmeträgerflüssigkeit muss im

Wärmetauscher von oben nach unten fliessen (senkrechte Spirale!).

3.3.3.4 Der Speicher

Welches ist die richtige

Speichergrösse?

3.3.3.5 Solaranlagen-Beispiele

Beispiel 1

Beispiel 2

Beispiel 3

76

Da Pumpe und Regelung wegfallen ist dieses System für Kleinanlagen

günstig. Messungen haben etwa gleich gute Wirkungsgrade wie die-

jenigen von Anlagen mit Pumpenzirkulation ergeben.

Fig. 3-16 Warmwasser mit selbststeuerndem Schwerkraft-Solarkreislauf

Die am Ausgang des Speichers gelieferte Nutzwärme wird u.a. durch

folgende Faktoren bestimmt:

– die Kollektorbetriebstemperatur

(bei 40 °C liefern verglaste Kollektoren 30…40 % mehr als

bei 60 °C)

– die Wärmeverluste im Rohrleitungssystem und im Speicher

(sie werden u.a. durch die Verweilzeit der Wärme im Speicher

bestimmt)

– die zeitliche Übereinstimmung von Besonnung und Wärmebedarf

(wird die Sonnenwärme vor allem dann gebraucht, wenn sie haupt-

sächlich anfällt?)

Wie wirtschaftlich eine Solaranlage arbeitet, hängt von den Investitions-

kosten, dem Netto-Wärmeertrag, den Preisen der übrigen Energieträ-

ger, der Lebensdauer und den Instandhaltungskosten der Anlage ab. In

jedem Fall wirtschaftlich sind grössere Anlagen für die Wasservorwär-

mung in sonnigen und kälteren Gebieten, teilweise auch mit Einbezug

der Raumheizung. Wesentlich günstiger als Strom, Heizöl oder Gas ist

auch Solarwärme aus unverglasten Kollektoren für Schwimmbadanla-

gen. Sollte es einmal soweit kommen, dass die nicht erneuerbaren

Energieträger Erdöl und Erdgas soviel kosten wie sie wert sind, wird

sich die Frage nach der Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen erübrigen.

Feststoff-Zentralspeicher benötigen weniger Platz als Wasserspeicher

und sind für alle Wärmeabgabesysteme einsetzbar. Als Speicher dient

ein Magnesit-Kern, der mit elektrischen Widerständen auf etwa 650 °C

aufgeheizt wird. Wichtig ist eine sehr gute Wärmedämmung, damit ein

hoher Speicherwirkungsgrad erreicht wird. Elektro-Zentralspeicher sol-

len zur Nutzung der Verlustwärme z.B. in Bastelräumen,Trockenräumen

oder Korridoren aufgestellt werden.

Die gespeicherte Wärme wird mit zwei verschiedenen Methoden auf

das Heizwasser übertragen:

1. Ein bedarfsgesteuerter Luftstrom transportiert die Wärme vom Spei-

cherkern zum Luft-Wasser-Wärmeübertrager (Rippenrohr-Luftkühler)

2. Ein beweglicher Wärmeübertrager wird – je nach dem Wärmebedarf

– mehr oder weniger weit in den Speicherkern eingefahren.

3.3.3.6 Netto-Wärmeertrag

nach Abzug aller Verluste

Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen

3.3.4 Elektrische Widerstandsheizung

mit Zentralspeicher

3.3.4.1 Feststoff-Zentralspeicher

77

Fig. 3-17 Prinzip Feststoffspeicher mit Luftumwälzung

1 Speichersteine 7 Witterungsfühler

2 Heizeinsätze 8 Entladeregelung

3 Wärmetauscher 9 Ventilator

4 Wärmedämmung 10 Motor

5 Aufladeregelung 11 Vorlauffühler

6 Restwärmefühler 12 Heizungspumpe

Wasser-Zentralspeicher haben einen grösseren Platzbedarf als Fest-

stoffspeicher, können jedoch mit andern Wärmeerzeugern, die einen

Wärmespeicher benötigen, kombiniert werden. Im Vordergrund steht

dabei ein Holzkessel, der die Hauptlast im Winter übernehmen soll. Bei

reinen Elektrospeichern wird das Heizwasser auf ca. 100 °C erwärmt.

Ein externer Durchfluss-Erwärmer oder Heizelemente im Speicher,

kombiniert mit einer externen Ladepumpe (Magro-System) oder über

die ganze Speicherhöhe verteilte Heizelemente bei Einspeicheranlagen

erlauben eine witterungsabhängige Teilladung. Bei einer Kombination

mit einem andern Wärmeerzeuger, z.B. mit einem Holzkessel, wird die

Speichertemperatur niedriger gehalten. Die Wärmeabgabe erfolgt über

eine witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung. Voraussetzung für

eine gute Speichervolumenausnützung ist eine möglichst niedrige

Rücklauftemperatur (< 40 °C).

Fig. 3-18 Bivalente Holz-Elektrospeicher-Heizanlage, Elektrospeicher

mit Teilladungsmöglichkeit

3.3.4.2 Wasser-Zentralspeicher

78

Die Wärmepumpe (WP) entspricht im technischen Aufbau und Funk-

tionsprinzip einer Kältemaschine. Das Funktionsprinzip der Kompres-

sions- und der Absorptions-Kältemaschine/-Wärmepumpe wird im Kapi-

tel 4 (Kältetechnik) behandelt.

Ein monovalentes WP-Heizsystem bezieht seine Heizwärme nur von

der Wärmepumpe. Diese muss deshalb den Wärmeleistungsbedarf des

Gebäudes bei der Bemessungs-Aussenlufttemperatur alleine decken

können. Ein monovalenter Betrieb ist bei der Nutzung von Erdreich-,

Abwasser-, Grundwasser- und Oberflächenwasserwärme am ehesten

möglich.

Ein bivalentes WP-Heizsystem hat zwei Wärmeerzeuger, die Wärme-

pumpe und z.B. einen Öl-, Gas- oder Holzkessel. Der Kessel übernimmt

die Wärmeversorgung bei tiefen Aussenlufttemperaturen entweder

allein (Alternativbetrieb) oder mit der WP zusammen (Parallelbetrieb).

Möglich ist auch ein Teilparallel-Betrieb derselben Anlage.

Sie beziehen die Wärme aus der Luft, meistens aus der Aussenluft,

wenn möglich aber auch aus Abluft, deren Abwärmegehalt dadurch

genutzt werden kann. Von der Bauart der Luft-Wasser-WP aus betrach-

tet unterscheidet man Kompaktgeräte und Splitgeräte. Bei den Kom-

paktgeräten für Innenaufstellung wird die Luft durch einen Kanal zur WP

geführt. Ein Splitgerät besteht aus zwei Teilen: Der eine Teil ist der Ver-

dampfer mit dem Ventilator und wird z.B. im Freien oder in einem Dach-

raum aufgestellt. Es gibt auch «stille» Verdampfer ohne Ventilator und

deshalb mit verminderter elektrischer Leistungsaufnahme. Sie benöti-

gen dafür eine wesentlich grössere Wärmeübertragungsfläche. Der

andere Teil enthält den Verdichter mit dem Verflüssiger und steht z.B. im

Keller bzw. im Heizungsraum. Die beiden Teile sind durch die Kältemit-

telleitungen verbunden. Das System wird erst auf der Baustelle kälte-

technisch montiert und gefüllt.

Bei Verdampfungstemperaturen unter 0 °C bildet sich am Verdampfer

Reif oder Eis, das regelmässig abzutauen ist. Zudem nimmt bei tiefen

Lufttemperaturen die Leistungszahl der WP stark ab. Deshalb eignet

sich die Luft-Wasser-WP schlecht für den monovalenten Betrieb. In

bivalenten Anlagen wählt man normalerweise den alternativen Betrieb

d.h. unterhalb ca. 0 °C Aussenlufttemperatur wird auf die Zusatzheizung

umgeschaltet.

Sie beziehen die Wärme aus Abwasser, Grundwasser, Flüssen oder

Seen. Die Art der Entnahme und der Rückgabe sowie die minimale

Rückgabetemperatur des Wassers sind bewilligungspflichtig. Da die

Wassertemperaturen im Gegensatz zu den Aussenlufttemperaturen

ganzjährig wesentlich über 0 °C liegen und auch relativ konstant blei-

ben, eignen sich Wasser-Wasser-WP entweder für den monovalenten

oder für den bivalenten Parallelbetrieb.

Sie unterscheiden sich von den Wasser-Wasser-WP dadurch, dass im

kaltseitigen Kreislauf ein frostgeschützter Wärmeträger (= Sole) einge-

füllt ist. Die Sole bezieht die Wärme z.B. aus der Erde oder aus Elemen-

ten wie unverglasten Sonnenkollektoren, «Energiedach», oder «Ener-

giezaun». So kann Umweltwärme auch unter dem Gefrierpunkt genutzt

werden. Wegen den gegenüber dem Wasser ungünstigeren Stoffwer-

ten (Wärmekapazität und Viskosität) der Sole werden Wärmeübertrager

und Umwälzpumpe grösser.

3.3.5 Wärmepumpen

Funktionsprinzip

3.3.5.1 Gebräuchliche Heizsysteme

3.3.5.2 Arten der Umweltenergienutzung

Luft-Wasser-WP

Wasser-Wasser-WP

Sole-Wasser-WP

79

In grösseren Anlagen (ab ca. 300 kW Heizleistung) werden auch Wär-

mepumpen mit Verbrennungsmotoren eingesetzt. Diese haben den Vor-

teil, dass nicht nur die vom Kondensator abgegebene Wärme, sondern

auch die Abwärme des Verbrennungsmotors weitgehend dem Heiz-

kreislauf zugeführt werden kann. Damit wird eine optimale Nutzung der

Primärenergie erreicht. Im Vergleich mit einer Öl- oder Gasfeuerung

kann so rund die doppelte Nutzwärmemenge gewonnen werden.

Durch die dem Kondensator nachgeschaltete Motorenkühlung und

Abgas-Wärmerückgewinnung werden auch höhere Vorlauftemperaturen

(bis ca. 80 °C) erreicht. Die Investitionskosten werden allerdings durch

die erforderlichen Schalldämm- und Abgasreinigungs-Massnahmen

höher als bei den Elektro-WP.

Als Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) wird ein Prozess bezeichnet, in

welchem gleichzeitig Wärme und Elektrizität erzeugt wird. Der

Begriff stammt aus der Zeit, als in den Fabriken die Dampfmaschinen

die Kraft zum Antrieb der Maschinen lieferten und mit dem Abdampf

geheizt wurde. Heute müsste man eher Strom-Wärme-Kopplung

sagen. Der Begriff der WKK hat sich jedoch gehalten und wird nicht nur

in der Haustechnik verwendet.

Hier eine kurze Übersicht über die Anwendungsarten:

– Dampfturbine + Generator: In erster Linie für die Stromerzeugung in

Kernkraftwerken und konventionellen thermischen Kraftwerken.

Wärme wird zur Verbesserung des Gesamtnutzungsgrades erzeugt,

falls ein Fernwärmenetz erstellt werden kann.

– Gasturbine oder Grossdiesel + Generator: Für grössere Anlagen mit

Wärme- und Strombedarf.

– Blockheizkraftwerk: Für Heizung und gleichzeitige Stromerzeugung.

Die Stromerzeugung richtet sich nach dem Wärmebedarf. Sie führt

zur Verbesserung des Gesamtnutzungsgrades, insbesondere in Ver-

bindung mit dem Betrieb einer Elektrowärmepumpe.

– Kleiner Ottomotor + Generator: Vorwiegend für eine sinnvolle Nut-

zung kleinerer Mengen von ohnehin anfallendem Gas

(Biogas, Klärgas).

In der Haustechnik kommt vor allem das Blockheizkraftwerk zum

Einsatz.

Blockheizkraftwerke sind kleinere WKK-Anlagen für den Einsatz in

Geschäftshäusern, Krankenhäusern, Industriebetrieben oder für die

Nahwärmeversorgung von Wohnsiedlungen. In der Regel werden meh-

rere Einheiten, mit je ca. 25 % der Spitzenleistung, parallel installiert.

Dadurch wird eine flexible Leistungsanpassung an den Bedarf ermög-

licht. Damit die BHKW-Einheiten gut ausgelastet werden können, sind

meist zusätzliche Spitzenheizkessel notwendig. Mit Wärmespeichernwerden wirtschaftliche Laufzeiten angestrebt.

Eine BHKW-Einheit (Fig. 3-19) umfasst:

– den Verbrennungsmotor (Gas- oder Dieselmotor)

– den Wärmerückgewinnungsteil zur Nutzung der Motor-Abwärme

(Kühlwasser, Abgas und evtl. Schmieröl) auf verschiedenen

Temperaturstufen

– den Generator für die Stromerzeugung

Gas- und Dieselmotor-

Wärmepumpen

3.3.6 Wärme-Kraft-Kopplung (WKK)

3.3.6.1 Anwendungsarten der WKK

3.3.6.2 Blockheizkraftwerke (BHKW)

80

Fig. 3-19 Prinzipschema einer Anlage mit Blockheizkraftwerk (ohne Wärmeverbraucher)

1 BHKW 4 Generator

2 Dieselmotor 5 Speicher

3a Kühlwasser-Wärmetauscher 6 Spitzenheizkessel

3b Abgas-Wärmetauscher

Als Antriebsenergie können Erdgas, Heizöl, Klärgas, Biogas, Deponie-

gas oder Pyrolysegas verwendet werden.

Wird in einem grossen thermischen Kraftwerk Heizöl oder Gas ver-

brannt um damit Strom zu erzeugen, so beträgt bekanntlich der Wir-

kungsgrad der Stromerzeugung nur 30…35 %, je nach Art des Kraft-

werkes. Der Rest ist Abwärme, die aber nur dann genutzt werden kann,

wenn genügend Wärmebezüger gefunden werden können, die nicht all-

zu weit vom Kraftwerk entfernt sind. Grosse Kraftwerke werden jedoch

eher weit entfernt von Wohnsiedlungen gebaut, so dass die Erstellung

eines Fernwärmenetzes unwirtschaftlich wäre und die Abwärme des-

halb über Kühlanlagen ungenutzt an die Umwelt (Aussenluft oder Ober-

flächengewässer) abgegeben wird.

Baut man jedoch kleine thermische Kraftwerke in Form von BHKWs

direkt bei den Wärmeverbrauchern, so kann von den 100 % des Heiz-

wertes von Öl oder Gas 30…35 % als hochwertige elektrische Energie

und 50…55 % als Heizenergie genutzt werden, d.h. es können rund

80…95 % genutzt werden.

Setzt man den erzeugten Strom zum Betrieb einer Elektro-WP ein, die

ihrerseits etwa das Dreifache der Antriebsenergie als Nutzwärme

abgibt, so erzeugt man mit den eingesetzten 100 % Primärenergie (Öl

oder Gas) über 150 % Nutzwärme.

Um ein BHKW direkt in die Heizzentrale eines Gebäudes oder inmitten

einer Wohnüberbauung platzieren zu können, müssen die Lärm- und

Schadstoffemissionen gemäss den lokalen Vorschriften in Grenzen

gehalten werden können.

Warum Blockheizkraftwerke?

81

Fig. 3-20 Wärmeflussbilder von Ölheizung (oben) und WKK (unten):

Die WKK mit Wärmepumpe erzeugt aus 100 % Primärenergie rund 150 % Nutzenergie.

Eine interessante Möglichkeit für Geschäftsbauten bietet die Kombina-

tion eines BHKW mit einer Absorptions-Kältemaschine/Wärmepumpe,

womit ganzjährig Strom erzeugt und die Abwärme im Winter zur Raum-

heizung und im Sommer zur Raumkühlung genutzt werden kann. Dabei

werden vorzugsweise Verbrennungsmotoren eingesetzt, die mit

Betriebstemperaturen > 100 °C arbeiten können.

BHKW werden zur Deckung des eigenen Bedarfes an Wärme und Elek-

trizität eingesetzt. Wichtig ist, dass beide Energiearten im anfallenden

Verhältnis und zur gleichen Zeit benötigt werden. Ein BHKW kann auch

eine separate Notstromversorgung ganz oder teilweise ersetzen.

Diese werden auch 3-Maschinen-Anlagen genannt und stellen eine

besondere Form eines BHKW dar. Man versteht darunter die Kombina-

tion eines Verbrennungsmotors, eines elektrischen Motor-Generators

und eines Wärmepumpen-Verdichters.

Mit dieser Kombination sind vier verschiedene Betriebsarten möglich,

deren Anwendung eine längere Jahresnutzungszeit der Anlage erlaubt

(Zahlen sind als Beispiel gegeben):

Verluste 10…20 %

Verluste 10…20 %

Oel100 %

Oel100 %

Oel-heizung Nutzwärme

80…90 %

Nutzwärme> 130 %

WKL

Umgebungs-wärme 55 %

Verluste 5 %

Wär

me-

pum

pe

Der Einsatz von

Blockheizkraftwerken

Tandemanlagen

82

Der Verbrennungsmotor betreibt den Generator zur Stromspitzen-

deckung. Geheizt wird mit der Abwärme des Verbrennungsmotors.

Die WP ist abgekuppelt.

Fig. 3-21 Verbrennungsmotor betreibt Generator

Der Rotor des Generators verbindet mechanisch die Antriebswelle des

Verbrennungsmotors mit der WP (Übertragungsverlust ca. 2 %)

Fig. 3-22 Verbrennungsmotor betreibt Wärmepumpe

Der Verbrennungsmotor betreibt Generator und WP gleichzeitig. Nutz-

wärme liefert die Abwärme des Verbrennungsmotors und der Konden-

sator der WP. Die Stromerzeugung reduziert sich im Vergleich mit dem

reinen BHKW-Betrieb (siehe 1.) auf rund die Hälfte.

Fig. 3-23 Verbrennungsmotor betreibt Generator und Wärmepumpe

Der Verbrennungsmotor ist ausser Betrieb und abgekuppelt. Die WP

wird z.B. mit Niedertarifstrom oder – im Sommer – als Kältemaschine

betrieben.

Fig. 3-24 Generator betreibt als Elektromotor die Wärmepumpe/Kältemaschine

Für die Steuerung, Überwachung und Betriebsoptimierung einer

Tandemanlage sind elektronische Optimierungsgeräte erforderlich.

32 %Strom

45 % Nutz-wärme60 °C

54 % Nutz-wärme 90 °C

16 %Strom

45 % Nutz-wärme60 °C

54 % Nutz-wärme 90 °C

90 % Nutz-wärme50…60 °C

54 % Nutz-wärme 90 °C

32 %Strom

1. BHKW-Betrieb

2. WP-Betrieb

mit Verbrennungsmotor

3. BHKW-Betrieb mit WP

4. WP-Betrieb mit Elektroantrieb

83

Ein Mini-BHKW ist ein Blockheizkraftwerk, das für den Einsatz in kleine-

ren Anlagen, – z.B. in Ein- und Mehrfamilienhäusern – ausgelegt ist. Es

liefert dabei die benötigte Heizenergie (bis ca. 15 kW) und einen Teil der

elektrischen Energie (bis ca. 5 kW).

Fig. 3-25 Funktionsprinzip eines Mini-BHKWs (Beispiel, kombiniert mit solarer Warmwas-

seraufbereitung)

Moderne Mini-BHKWs sind mit drehzahlgeregelten Motoren ausgerüs-

tet und verfügen über die notwendige Leistungs-Elektronik, um den

erzeugten Strom mit gleichbleibender Frequenz ins Netz einzuspeisen.

Durch die Drehzahlregelung werden zusätzliche Einrichtungen zur

Deckung von Lastspitzen nicht mehr benötigt. Solche Mini-BHKWs

können also «monovalent» betrieben werden, was die Investitions-

kosten entsprechend reduziert.

Fig. 3-26 Mini-BHKW – Innenansicht und Gasmotor mit 270 cm3 Hubraum

(Quelle: ecopower)

Kamin

Schalldämpfer

Motor

Abgas-wärme-tauscher

Gas

Generator

öffentliches Stromnetz

Plattenwärmetauscher

Leistungselektronik

Kaltwasser

Temperatur-hochhaltung

Speicherlade- pumpe

Misch-ventil

Rücklauf

Vorlauf Heizungspumpe

Warmwasser

Solar-kollektoren

Haushaltsverbrauch

Speicher

˜̃

3.3.6.3 Mini-BHKW

84

Brennstoffzellen sind seit über 160 Jahren bekannt. Entdeckt wurde der

Brennstoffzellen-Effekt von Christian Friedrich Schönbein, der von 1829

bis 1868 Professor an der Universität Basel war. Der Engländer William

Robert Grove – Schönbeins Freund – beschrieb den Effekt im Februar

1839 als Umkehrung der Elektrolyse und erkannte das Potenzial, ihn zur

Erzeugung elektrischer Energie zu verwenden. Von 1842 bis 1844

befasste sich Grove intensiv mit der Brennstoffzelle, die er damals noch

als «Gasbatterie» bezeichnete. Er schaltete Elemente in Serie, um die

elektrische Leistung zu erhöhen. Doch von einer praktischen Nutzung

war man damals noch weit entfernt. Erst in der zweiten Hälfte des

20. Jahrhunderts wurde diese Technologie für Spezialanwendungen

unter anderem für die bemannte Raumfahrt genutzt. Dies war vor allem

auf die Entwicklung geeigneter Materialien zurückzuführen. Staatliche

Forschungsprogramme haben die Entwicklung von Brennstoffzellen für

zivile Anwendungen vorangetrieben. Heute wird allgemein angenom-

men, dass die Brennstoffzellen-Technologie vor einem entscheidenden

technischen und kommerziellen Durchbruch steht und die stationäre

und mobile Energieversorgung des 21. Jahrhunderts revolutionieren

wird.

Brennstoffzellen wandeln die in chemischer Form im (allgemein gas-

förmigen) Brennstoff gespeicherte Energie direkt in Strom und Wärme

um.

Die Funktionsweise lässt sich mit einer Batterie vergleichen. Eine

Brennstoffzelle besteht aus Elektroden (Kathode und Anode), die durch

einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. An der Anode findet die

Oxidation des Brennstoffes statt. Die dabei frei werdenden Elektronen

fliessen über einen äusseren Stromkreis zur Kathode. Dabei können sie

elektrische Arbeit verrichten. An der Kathode erfolgt die Elektronenauf-

nahme durch das Oxidationsmittel, das dabei selbst reduziert wird.

Neben Strom fällt bei der chemischen Reaktion Wärme an.

Der Unterschied zur Funktionsweise einer Batterie besteht darin, dass

Brennstoffzellen so lange Strom und Wärme produzieren, wie ihnen

Brennstoff zugeführt wird.

Fig. 3-27 Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Luft

Kathode

Elektrolyt

Anode

Brennstoff (H2, CO)H2O, CO2

ExternerStrom-

kreis

3.3.6.4 Brennstoffzellen

Funktionsweise

85

Keine andere bekannte Technologie zur gleichzeitigen Erzeugung von

Strom und Wärme bietet in der Summe so viele günstige Eigenschaften

wie die Brennstoffzelle:

• hoher elektrischer Wirkungsgrad

in Pilotanlagen 35 %, unter Laborbedingungen 60 %

• breites Leistungsspektrum

einige Watt …. mehrere Megawatt

• niedrige Schadstoffemissionen

es entsteht vorwiegend Wasserdampf und Kohlendioxid

(bei Verwendung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen) und die Koh-

lendioxid-Bilanz wird aufgrund des höheren Wirkungsgrades

wesentlich günstiger ausfallen als bei klassischen Wärmekraft-

maschinen

• niedrige Betriebskosten

wenige bewegliche Anlageteile führen zu niedrigen Wartungs- und

Betriebskosten

• breite Wahl an Brennstoffen möglich

• geräuscharm, da wenige bewegliche Anlageteile

Die unterschiedlichen Brennstoffzellentypen werden nach der Art des

Elektrolyten eingeteilt. Dieser kann eine Flüssigkeit oder ein Festkörper

sein und bildet das Charakteristikum für:

• Anforderungen an Art und Reinheit von Brennstoff und

Oxidationsmittel

• Betriebstemperatur

• Bauweise

Im Wesentlichen sind heute fünf Brennstoffzellentypen gebräuchlich.

Es gibt weitere Varianten, die sich noch in einem früheren Entwick-

lungsstadium befinden. Für eine spezifische Anwendung kann der

jeweils am besten geeignete Typ ausgewählt werden.

Für den Gebrauch im häuslichen Bereich scheinen sich zwei Typen zu

etablieren:

• Polymermembran-Brennstoffzelle (PE(M)FC)

wird heute für den Einsatz in der Automobilindustrie favorisiert

• Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

wird heute in Pilotprojekten für Wohngebäude eingesetzt

Fig. 3-28 Brennstoffzellentypen und ihre Anwendungsbereiche

* BZ = Brennstoffzelle

Die Wahl des Elektrolyten beeinflusst die Anforderung an den

Brennstoff und das Oxidationsmittel, die Betriebstemperatur sowie die

Bauweise der Brennstoffzelle.

Deutsche Englische Anwendungsbereiche Bezeichnung Bezeichnung Abkürzung (Auswahl)

Alkalische BZ* Alkaline Fuel Cell AFC Raumfahrt, Militär

Polymermembran-BZ* Polymer Electrolyte PE(M)FC mobil und stationär –

Fuel Cell kleiner bis mittlerer

Leistungsbereich

Phosphorsäure-BZ* Phosphoric Acid PAFC stationär – mittlerer

Fuel Cell Leistungsbereich

Karbonatschmelze-BZ* Molten Carbonate MCFC stationär – mittlerer

Fuel Cell Leistungsbereich

Festoxid- oder Solid Oxide SOFC stationär – kleiner bis

Hochtemperatur-BZ* Fuel Cell grosser Leistungsbereich

Nutzen

Brennstoffzellentypen

86

Fig. 3-29 Brennstoff, Oxidationsmittel und Betriebstemperaturen für verschiedene Brenn-

stoffzellentypen

Momentan laufen einige vielversprechende Feldversuche mit Brenn-

stoffzellen-Heizgeräten, die mit Erdgas betrieben werden (z.B. Sulzer

Hexis) in Deutschland, der Schweiz und anderen europäischen Ländern.

Die eingesetzten Heizgeräte bestehen aus der eigentlichen Brennstoff-

zelle mit 1 kW elektrischer und 2.5 kW thermischer Leistung, einer inte-

grierten Gastherme für den Zusatzbedarf an Wärme und einem Puffer-

speicher für Warmwasser. Insgesamt kann damit der gesamte Wärme-

bedarf und der Stromgrundbedarf eines Einfamilienhauses abgedeckt

werden. Die Feldversuche erfolgen in Zusammenarbeit mit Stadt- und

Elektrizitätswerken, die diese Anlagen im «Contracting» anbieten.

Dabei wird das Heizgerät beim Kunden installiert und betrieben und die

bezogenen Leistungen über einen festgesetzten Kilowattstundenpreis

verrechnet. Die derzeit betriebenen Pilotanlagen arbeiten noch nicht

wirtschaftlich. Bis etwa 2010 soll dies aber möglich werden.

Fig. 3-30 Brennstoffzellen-Heizgerät – Aussenansicht und Schnittmodell

(Quelle: Sulzer Hexis)

1 Brennstoffzellen-Stapel

2 Wärmespeicher

3 Regelgerät

Typ Brennstoff Oxidations- Aggregats- Art der Betriebs-mittel zustand des Ionenleitung tempe-

Elektrolyten durch den raturElektrolyten

AFC H2 rein Luft + H2 fest OH– etwa 70 °C

(ohne CO2)

PE(M)FC H2 rein Luft (ohne CO) fest H+ etwa 80 °C

PAFC H2 Luft (ohne CO) flüssig in Matrix H+ etwa 200 °C

MCFC CH4, H2, CO Luft + CO2 geschmolzen CO32– etwa 650 °C

SOFC CH4, H2, CO Luft fest O2– etwa 700–

1000 °C

Brennstoffzellen in Heizungsanlagen

87

Fernwärme ist thermische Nutzenergie, die zentral bereitgestellt und

mit Hilfe eines Wärmeträgers und eines Rohrleitungssystems gross-

räumig verteilt wird.

Als Wärmeträger wird meist Heisswasser oder Wasserdampf verwen-

det.

Fernwärme-Versorgungssysteme sind dadurch gekennzeichnet, dass

Quartiere, Städte oder Regionen durch eine oder einige wenige leis-

tungsfähige Wärmequellen versorgt werden. Eine weitere Eigenart

dieses Systems ist, dass der Eigentümer der Wärmequellen und der

Verteilnetze in der Regel nicht gleichzeitig Eigentümer der mit Wärme

belieferten Bauten ist.

Eine Fernwärmeversorgung (Fig. 3-31) umfasst im wesentlichen vier

Anlageteile:

die Wärmequelle (1), das Verteilnetz (2) mit Transportleitung und

Ortsnetzen, die Übergabestation (3) mit Absperr-, Regel-, Mess- und

Sicherheitseinrichtungen und die Abnehmeranlage (4) für Raum-

heizung, Warmwasserversorgung und andere Wärmeverbraucher.

Fig. 3-31 Fernwärmenetz mit den vier wesentlichen Anlageteilen

1 Wärmequelle 3 Übergabestation

2 Verteilnetz 4 Abnehmeranlage

Fernwärme wird hauptsächlich in Heizkraftwerken mit Wärme-Kraft-Kopplung erzeugt. Eine grosse Bedeutung hat auch die Abwärmenut-zung aus Kernkraftwerken oder industriellen Prozessen erlangt, insbe-

sondere jene der Müllverbrennung.

Eine spezielle Art der Abwärmenutzung ist die sogenannte kalte Fern-wärme aus Abwasser-Reinigungsanlagen. Das noch lauwarme, gerei-

nigte Abwasser wird über eine Fernleitung einer Nahwärme-Versor-

gungszentrale zugeführt, wo es einer Wärmepumpe als Wärmequelle

dient, wodurch diese mit einer relativ hohen Leistungszahl betrieben

werden kann.

Eigentliche Heizwerke, die mittels fossilen Brennstoffen (Erdöl, Erdgas,

Kohle) ausschliesslich Fernwärme erzeugen, sind z.B. in den USA und in

Japan zu finden.

3.3.7 Fernwärmeanschluss

Was ist Fernwärme?

3.3.7.1 Wärmequellen

88

Der Wärmetransport zwischen der Wärmequelle und den Wärmever-

brauchern erfolgt über das Fernwärme-Verteilnetz. Dies ist ein

geschlossenes, unter Druck stehendes Zirkulationssystem aus wärme-

gedämmten Rohren. Während der Wärmeträger Dampf durch Expan-

sion von der Wärmequelle zu den Verbrauchern gelangt, benötigt das

Heisswassernetz dazu Umwälzpumpen.

Gebräuchliche Netzstrukturen (Fig. 3-31/Fig. 3-32) sind das Strahlen-netz (a), das Ringnetz (b) und das vermaschte Netz (c). Das Strahlen-

netz ist einfach, übersichtlich und verhältnismässig billig, aber auch

anfälliger auf Leitungsunterbrüche als die redundanten Ring- und

Maschennetze. Letztere sind allerdings erheblich teurer, so dass häufig

selektiv vorgegangen wird und dabei Mischstrukturen entstehen. Strah-

lennetze sind vorwiegend in Nahwärmeversorgungen, Ring- und

Maschennetze eher in echten Fernwärmenetzen zu finden.

Fig. 3-32 Fernwärme-Verteilnetze

a) Strahlennetz c) Maschennetz

b) Ringnetz 1) Heizwerke

Wie die Leitungen verlegt werden hängt von derTopographie, den ört-

lichen Verhältnissen und den Bodenverhältnissen ab. Es sind zahlreiche

Verlege-Systeme für Fernheizleitungen entwickelt worden, von denen

jedes Vor- und Nachteile hat. Um die Verteilverluste möglichst klein zu

halten, ist das ganze Verteilnetz isoliert. Die Vorlauftemperatur wird,

wenn dies möglich ist, in Funktion der Aussentemperatur gleitend

gefahren. Durch optimale Fliessgeschwindigkeiten und eine grosse

Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf werden minimale

Gesamtkosten des Verteilnetzes angestrebt.

3.3.7.2 Wärmetransport und -verteilung

89

Die Übergabestation ist das Bindeglied zwischen der Abnehmeranlage

der einzelnen Verbraucher und dem Verteilnetz. Aufgrund der Art des

Anschlusses wird zwischen der direkten und der indirekten Einspeisung

unterschieden (Fig. 3-33).

Bei der direkten Einspeisung gelangt der im Verteilnetz zirkulierende

Wärmeträger über Übergabestation direkt in den Heizkreislauf der

Abnehmeranlage. Dies ist eine verhältnismässig kostengünstige und

auch platzsparende Anschlussart. Sie wird dann angestrebt, wenn eine

hydraulische Abtrennung zwischen Primär- und Sekundär-Kreislauf nicht

erforderlich ist und die Druckschwankungen im Verteilnetz beherrschbar

sind. Sie wird hauptsächlich in der Nahwärmeversorgung mit Strahlen-

netzen angewandt.

Bei der indirekten Einspeisung sind Abnehmeranlage und Verteilnetz

mittels eines Wärmeübertragers hydraulisch vollständig voneinander

getrennt. Verteilnetz und Abnehmeranlage sind somit auch druckmässig

voneinander unabhängig, was sich vorteilhaft auf Auslegung und

Betrieb der Verteilnetze auswirken kann. Diese Variante ist etwas teurer,

benötigt mehr Platz und ist wegen der unvermeidlichen Temperaturver-

luste im Wärmeübertrager thermodynamisch ungünstiger. Diese Nach-

teile sind aber mit der neuen Platten-Wärmeübertrager-Technologie

unbedeutend geworden.

Der Ausbaustandard dieser Übergabestationen richtet sich nach den

Bedürfnissen der Netzbetreiber und Abnehmer. Es gibt heute zahlreiche

erprobte, industriell gefertigte Kompaktlösungen (OEM-Produkte), die

das ganze Komfortspektrum abdecken.

Fig. 3-33 Übergabestationen (Beispiele)

a) mit direkter Einspeisung

b) mit indirekter Einspeisung

A Verteilnetz 1 Wärmezähler

B Übergabestation 2 Druckregler

C Abnehmeranlage 3 Temperaturregelung

4 Wärmeübertrager

3.3.7.3 Übergabestation

90

In Heizungsanlagen hat die Pumpe die Aufgabe, die Verbraucher mit der

notwendigen Wassermenge zu versorgen. Dabei müssen die Druck-

verluste, die durch Rohrleitungen, Formteile und Regelventile entste-

hen, überwunden werden. Es werden hauptsächlich Kreiselpumpen

eingesetzt, bei denen über den Motor dem Laufrad kinetische Energie

zugeführt wird, die am Pumpenausgang in Druckenergie umgewandelt

wird.

Fig. 3-34 Umwälzpumpe und eingebaut in einer Heizungsanlage

Die Charakteristik des Pumpenverhaltens wird mit der Pumpenkennlinie

angegeben. Sie stellt die Förderhöhe (Δp, H) in Funktion der geförder-

ten Wassermenge dar, d.h. f(V.).

Je nach Anwendung werden Pumpen mit unterschiedlicher Charakte-

ristik, d.h. Kennlinie eingesetzt. In Heizungsanlagen werden üblicher-

weise Pumpen mit fallenden Kennlinien verwendet (vgl. 1, 2 in Fig.

3-35). Diese Charakteristik entspricht dem typischen hydraulischen

Verhalten, sofern nicht regelnd in die Betriebsweise der Pumpe einge-

griffen wird. Es wird dabei zwischen einer steilen und einer flachen

Kennlinie unterschieden. Durch Regelung der Drehzahl lassen sich hori-

zontale Kennlinien (3) oder gar steigende Kennlinien (4) erreichen.

Fig. 3-35 Pumpenkennlinien

1 steil fallende Kennlinie 3 horizontale Kennlinie (drehzahlgeregelt)

2 flach fallende Kennlinie 4 steigende Kennlinie (drehzahlgeregelt)

V

1

2

3

4

p, H

.

3.4 Wichtige Komponenten

3.4.1 Pumpen

Aufgabe

3.4.1.1 Pumpen- und Anlagekennlinie

Pumpenkennlinie

91

Die Förderhöhe der Pumpe richtet sich, wie zuvor schon erwähnt,

hauptsächlich nach den zu überwindenden Widerständen. Diese sind

für die meisten Anlagen näherungsweise quadratisch abhängig vom

Förderstrom V., es gilt deshalb:

Δp = V.

2

In der Darstellung in einem Δp, V.-Diagramm entspricht dies einer Para-

bel durch den Nullpunkt. Für eine bestimmte Anlage kann diese Parabel

aus den Berechnungswerten für den Auslegungszustand aufgezeichnet

werden. Durch hydraulische Eingriffe im Netz (z.B. Regelventil schliesst)

wird diese Anlagenkennlinie steiler (vgl. Fig. 3-36).

Fig. 3-36 Betriebspunkt einer Pumpe aus Anlagenkennlinie und Pumpenkennlinie

1 Pumpenkennlinie (bei einer bestimmten Drehzahl n)

2 Anlagekennlinie im Auslegezustand

3 Anlagekennlinie verändert durch zusätzlichen Widerstand

Aus Fig. 3-37 ist ersichtlich, dass die Förderhöhe entlang der Pumpen-

kennlinie n1 von Δp1 auf Δp2 ansteigt, wenn der in der Anlage geförder-

te Volumenstrom z.B. auf 50 % reduziert wird (Betriebspunkt verschiebt

sich von 1 nach 2). Im Extremfall kann die Förderhöhe sogar bis auf die

sogenannte Nullförderhöhe H0 ansteigen, wenn der Volumenstrom 0

wird. Diese Überlegungen gelten für Anlagen mit mengenvariablen

hydraulischen Schaltungen.

Auf Grund der Anlagekennlinie (I) ist aber auch klar, dass die effektiv

notwendige Förderhöhe viel tiefer liegt, nämlich bei Δp3. Dieser

Betriebspunkt (3) liegt auf einer anderen Pumpenkennlinie mit einer

tieferen Drehzahl n2.

Interessant werden diese Überlegungen in Zusammenhang mit der

Leistungsaufnahme der Pumpe. Diese verhält sich, ähnlich wie zuvor

der Druckverlust, entsprechend einer Gesetzmässigkeit. Dabei gilt für

die meisten Anlagen, dass die Leistungsaufnahme näherungsweise mit

der dritten Potenz vom Förderstrom V.

(resp. der Drehzahl) abhängig ist:

P = V.

3

2

3

p

1

V.

Anlagenkennlinie

Drehzahlregelung – warum?

92

Daraus ergibt sich bei einer Reduktion des geförderten Volumenstrom

auf 50 % eine Reduktion der Leistungsaufnahme auf rund 12.5 %, d.h.

1/8 der ursprünglich notwendigen Leistung. Dieser Wert ist natürlich

rein theoretisch, denn es müssen auch noch andere Faktoren wie z.B.

Wirkungsgrad des Antriebs und vor allem auch der an den Verbrauchern

effektiv notwendige Vordruck mitberücksichtigt werden. Realistisch

lässt sich die Leistungsaufnahme auf ca. 50…30 % der ursprünglichen

Leistungsaufnahme reduzieren, was in Anbetracht der Betriebszeiten

der Pumpe trotzdem zu einer beträchtlichen Einsparung führen kann.

Die erreichbare Drehzahlabsenkung ist auch abhängig von der Charakte-

ristik der Pumpenkennlinie. Pumpen mit steil abfallenden Kennlinien

sind besser geeignet, als solche mit flachen Kennlinien.

Fig. 3-37 Betriebspunkte bei halbem Volumenstrom

I Anlagekennlinie

1 Betriebspunkt im Auslegezustand

2 Betriebspunkt bei halbem Volumenstrom und ungeregelter Pumpe

3 Betriebspunkt bei halbem Volumenstrom und notwendiger Förderhöhe

Das Stellgerät besteht aus Stellglied und Stellantrieb. Es hat die Aufga-

be, so in den Volumenstrom zwischen Wärmeerzeuger und Wärmever-

braucher einzugreifen, dass die Wärmeabgabe zwischen 0 und 100%

verändert wird. Jedes Stellglied hat ein Regeltor, das mehr oder weni-

ger offen sein kann – oder auch nur offen oder geschlossen.

Als Stellglied kommen Hähne (Drehbewegung) oder Ventile (Hubbewe-

gung) zum Einsatz. Bei den Ventilen wird unterschieden zwischen:

• Durchgangsventil

• Dreiwegventil

1

2

3

I

n1

p3

p1

p2

n2

p

V.

Beispiel:

Volumenstrom 50 %

3.4.2 Stellgeräte

93

Fig. 3-38 Durchgangsventil (Gewinde); Dreiwegventil (Flansch) jeweils mit Antrieben

Beim Durchgangsventil wird durch eine Hubänderung der Strömungs-

querschnitt verringert oder vergrössert. Daraus resultiert ein mengen-

variabler Volumenstrom.

Das Dreiwegventil hat ein mengenkonstantes Ventiltor. Je nach dem, ob

das Ventil als Misch- oder Verteilventil eingebaut ist, ergibt sich ein

anderes Resultat einer Hubänderung.

Der austretende Volumenstrom bleibt konstant; er wird aus zwei men-

genvariablen Strömen zusammengemischt (siehe Bild unten, rechts).

Ein mengenkonstanter Eintrittsvolumenstrom wird in zwei mengen-

variable Austrittströme aufgeteilt.

(Hinweis: Nicht alle Dreiwegventile sind geeignet zum Einbau als

Verteilventil.)

Durchgangsventil Dreiwegventil

Fig. 3-39 Durchgangs- und Dreiwegventil (Schnittbild) als mögliche Stellglieder

(Torbezeichnung anders je nach Fabrikat, z.B. A, B, AB)

Mit Abgleichdrosseln in mengenkonstanten Teilen von hydraulischen

Schaltungen kann die Anlage bei der Inbetriebnahme auf den berech-

neten Nennvolumenstrom eingestellt werden.

Diesen Vorgang nennt man den hydraulischen Abgleich. Er ist eine

wichtige Voraussetzung für das einwandfreie Funktionieren einer

Anlage.

Durchgangsventil

Dreiwegventil

Mischen:

Verteilen:

3.4.3 Abgleichdrossel

Hydraulischer Abgleich

94

Fig. 3-40 Heizgruppen mit eingebauten Abgleichdrosseln Strangregulierventil

(im mengenkonstanten Schaltungsteil;

grau hinterlegt)

Je nach Art der Heizungsanlage müssen verschiedene sicherheitstech-

nische Komponenten eingebaut werden. Die wichtigsten sind:

• Sicherheitstemperaturbegrenzer

• Sicherheitsventil

• Ausdehnungsgefäss

Fig. 3-41 Sicherheitseinrichtungen in einer Warmwasserheizung mit geschlossenem

Ausdehnungsgefäss

1 Sicherheitstemperaturwächter (STW)

2 Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB)

3 Sicherheitsventil

4 Ausdehnungsgefäss

Welche sicherheitstechnischen Komponenten eingebaut werden müs-

sen, wird in entsprechenden Vorschriften und Richtlinien vorgegeben

(je nach Land etwas unterschiedlich), z.B. Zusammenstellung der mass-

gebenden DIN Normen (für D).

1 2 3

4

3.4.4 Sicherheitstechnische Ausrüstung

95

Sicherheitstemperaturwächter (STW) unterbrechen die Energiezufuhr

bei Erreichen eines eingestellten Grenzwertes. Die Rückstellung erfolgt

selbsttätig, wenn derTemperaturgrenzwert unterschritten, bzw. wenn

der auslösende Fehler behoben ist.

Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) sind Temperaturbegrenzer, die

bei Erreichen des Temperaturgrenzwertes die Anlage (Brenner) aus-

schalten. Eine Rückstellung muss vor Ort geschehen (manuell, teilw.

mit Werkzeug) und kann erst erfolgen, wenn die Störung (Auslöser)

behoben und der Grenzwert unterschritten ist.

Fig. 3-42 Sicherheitstemperaturwächter und Sicherheitstemperaturbegrenzer für Einbau

in Heizkessel

Wärmeerzeugungsanlage Norm

Offene und geschlossene, physikalisch

abgesicherte Wärmeerzeugungsanlagen

mit Vorlauftemperaturen bis 120 °C DIN 4751 Teil 1

Geschlossene thermisch abgesicherte

Wärmeerzeugungsanlagen

mit Vorlauftemperaturen bis 120 °C DIN 4751 Teil 2

Heisswasserheizungsanlagen mit Vorlauf-

temperaturen über 110 °C (Absicherung von

Drücken über 0.5 bar) soweit sie nicht unter

DIN 4751-2 fallen DIN 4752

Gruppe 1a: Absicherung einer höchstzulässigen

Vorlauftemperatur von 130 °C durch Druck-

begrenzungseinrichtungen mit einem Ansprech-

druck von maximal 1.5 bar,

Produkt aus Wasserinhalt [m3] x Betriebsdruck [bar] < 10

Gruppe 1b: Absicherung einer höchstzulässigen

Vorlauftemperatur von 130 °C durch Temperatur-

begrenzungseinrichtungen mit einem Ansprechdruck

von maximal 1.5 bar,

Produkt aus Wasserinhalt [m3] x Betriebsdruck [bar] < 10

Gruppe 2: Alle übrigen Heisswasserheizungsanlagen

mit Temperaturen über 110 °C

Hausstationen zum Anschluss von

Heisswasser-Fernwärmenetzen DIN 4747 Teil 1

Wassererwärmungsanlagen fürTrink- und

Betriebswasser bis 95 °C DIN 4753 Teil 1

Sicherheitstemperaturwächter

Sicherheitstemperaturbegrenzer

96

Sicherheitsventile sind Armaturen, die durch selbsttätiges Öffnen

gegen den Atmosphärendruck die Überschreitung eines vorgegebenen

Druckes verhindern. Sie müssen imstande sein, im Notfall die gesamte

Heizleistung des Wärmeerzeugers in Form von Heisswasser und Dampf

abzulassen. Die Anschlussleitungen sollen möglichst kurz gehalten wer-

den und keine nennenswerten Widerstände (z.B. Bogen) enthalten. Die

Leitung, die das Heisswasser resp. den Dampf abführt, soll so geführt

werden, dass sich die Austrittsöffnung in einem Bereich befindet (z.B.

hinter Heizkessel, in Bodennähe, …), die Personen, die sich in Kessel-

nähe aufhalten, nicht gefährdet.

Fig. 3-43 Sicherheitsventil; Schnittbild und eingebaut (1) in einer Anlage

mit Abblasleitung (2)

Jede Warmwasserheizung benötigt zur Aufnahme der Wasserausdeh-

nung infolge der Erwärmung ein Dehnungspolster, das durch ein Aus-

dehnungsgefäss geschaffen wird. Die Grösse dieses Gefässes richtet

sich nach dem Wasserinhalt der gesamten Heizungsanlage.

Heute werden geschlossene Anlagen meistens mit sogenannt «tief-

liegenden» Ausdehnungsgefässen gebaut, die folgende Vorteile bieten:

– leichte und preisgünstige Montage

– kein Sauerstoffeintritt ins System und demzufolge keine Korrosion –

wenn das Gefäss richtig dimensioniert ist

– keine Einfriergefahr für sicherheitstechnische Einrichtungen

– Fortfall langer, kostenaufwändiger und wämeverlustempfindlicher

Sicherheitsleitungen

Die Errichtung solcher Anlagen ist an verschiedene Bedingungen und

Vorschriften (je nach Land) gebunden.

Ausdehnungsgefässe gibt es in 2 verschiedenen Bauarten:

– Halbmembran-Druckausdehnungsgefäss (für kleinere Anlagen)

– Druckausdehnungsgefäss mit Vollmembrane

Die Ausdehnungsgefässe enthalten eine besonders gasdichte Blasen-

membrane (vgl. Fig. 3-44). Sie unterteilt das Gefäss in einen Gas- und

einen Wasserraum. Das Gas befindet sich ausserhalb der Blase, das

Blaseninnere ist mit dem Gefässanschlussrohr verbunden und nimmt

das Ausdehnungswasser der Anlage auf.

Das Gefäss wird mit einem Vordruck versehen. Bei Temperaturanstieg

in der Anlage dringt das entstehende Wassermehrvolumen gegen den

Gasdruck in die Blase ein. Bei Abkühlung und damit verbundener Volu-

menschrumpfung stellt der auf die Blasenwandung wirkende Gasdruck

sicher, dass der Anlage genügend Wasser zugeführt wird. Je nach Fabri-

kat, besteht das Druckpolster aus Stickstoff oder komprimierter Luft.

Sicherheitsventil

Ausdehnungsgefäss

Funktionsweise

97

Die Membranen (Elastomere) altern bei höheren Temperaturen schnel-

ler. Darum wird oft ein separates Zwischengefäss eingebaut, in dem

das Anlagenwasser zuerst abkühlen kann, bevor es ins Ausdehnungs-

gefäss gelangt.

Fig. 3-44 Druckausdehnungsgefäss mit Vollmembrane (links)

Druckhalteanlage mit aufgebautem Kompressor und Steuergeräten (rechts)

(Quelle: Pneumatex)

In Anlagen mit grossem Wasserinhalt und wo die Druckdifferenz zwi-

schen statischem und höchstem Betriebsdruck möglichst gering gehal-

ten werden soll, sind sogenannte Druckhalteanlagen zweckmässig. Der

Gegendruck des Gaspolsters wird hier über Kompressoren gesteuert,

so dass das Ausdehnungswasser ungehindert, d.h. ohne den wachsen-

den Gegendruck wie bei einem stationären Gaspolster, leichter einge-

bracht werden kann. Solche Anlagen werden oft als betriebsfertige Bau-

einheiten geliefert, d.h. Kompressor, Schaltgeräte und Armaturen sind

gleich am Gefäss angebracht.

Fig. 3-45 Druckhalteanlage (1) mit aufgebautem Kompressor (2) und vorgeschaltetem

Zwischengefäss (3) Druckausdehnungsgefäss (4) für eine kleinere Anlage

In der Praxis sind es meist mehrere Verbraucher, die von einem

Erzeuger versorgt werden.

Der Verteiler wird als Bindeglied zwischen der Erzeugerseite und meh-

reren Verbrauchern eingebaut. Er verteilt das Wasser im Vorlaufverteiler

auf die verschiedenen Verbraucher und sammelt im Rücklaufsammler

das Wasser aller Verbraucher.

Zwischengefäss

Druckhalteanlage

3.5 Verteiler

98

Fig. 3-46 Verteiler als Bindeglied zwischen Erzeuger- und Verbraucherseite

Die Verbraucher- und die Erzeugerseite stellen gewisse Anforderungen

an den Verteiler, z.B. Druckverhältnisse, konstanter oder variabler Durch-

fluss, notwendige Vor- und Rücklauftemperaturen, … .

Um all diese Bedingungen zu erfüllen, braucht es verschiedene Vertei-

lertypen.

Verteiler können wie folgt eingeteilt werden:

Der Verteiler kann nicht für sich alleine betrachtet werden. Es ist wich-

tig, dass die zum Verteilertyp passenden Verbraucherschaltungen einge-

setzt werden. Dabei ist zu beachten, dass Verbraucherschaltungen mit

gleichem (oder ähnlichem) Verhalten eingesetzt werden.

V E R T E I L E R

Hauptpumpe ohne Hauptpumpe mit Hauptpumpe

(Typ 1)

Druckverhältnisse druckbehaftet drucklos

am Verteiler (Typ 4)

Volumenstrom variabel variabel konstant konstant

über Erzeuger (Typ 2) (Typ 3)

Rücklauftemperatur tief hoch

zum Erzeuger

3.5.1 Verteilertypen

99

Fig. 3-47 Verteiler ohne Hauptpumpe für Verbrauchergruppen in Beimischschaltung

Ventile der Verbrauchergruppen geschlossen (links) und offen (rechts)

• Rücklauftemperatur tief (zwischen kalt und Verbraucher-Rücklauf)

• Volumenstrom variabel über Erzeuger, konstant über Verbraucher

• starke gegenseitige Beeinflussung der Verbrauchergruppen

(d.h. jede grössere Veränderung in einer Gruppe führt zu Druck-

veränderungen am Verteiler, deren Auswirkungen auf die anderen

Gruppen von diesen ausgeregelt werden müssen)

• Gefahr von Fehlzirkulation, wenn z.B. Brauchwasserladung am

Verteilerende

• Gruppenpumpen müssen anteilsmässig den Druckverlust im

Erzeugerkreis übernehmen

• Erzeuger, die tiefe Rücklauftemperatur erfordern (z.B. kondensieren-

der Heizkessel)

• Speicher

Fig. 3-48 Verteiler mit Hauptpumpe für Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder

Einspritzschaltung mit Durchgangsventil

• Rücklauftemperatur tief (Verbraucher-Rücklauf)

• Volumenstrom variabel über Erzeuger

• Boilerladungen

• Zubringer in Fernleitungsnetz (z.B. Nahwärmeverbund)

3.5.1.1 Verteiler ohne Hauptpumpe

(Typ 1), für Verbrauchergruppen

in Beimischschaltung

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

3.5.1.2 Verteiler mit Hauptpumpe

(Typ 2), für Verbrauchergruppen

in Drosselschaltung oder

Einspritzschaltung mit Durchgangsventil

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

100

Fig. 3-49 Verteiler mit Hauptpumpe für Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder

Einspritzschaltung mit Dreiwegventil

Ventile der Verbrauchergruppen geschlossen (links) und offen (rechts)

• Rücklauftemperatur hoch (zwischen Verbraucher-Rücklauf und

annähernd Erzeuger-Vorlauf)

• Volumenstrom konstant über Erzeuger

• Hauptpumpe muss beim Einsatz von Verteilschaltungen

(Umlenkschaltungen) auch den Druckverlust über den Verbraucher

übernehmen

• hydraulischer Abgleich ist anspruchsvoll

• spätere Erweiterung macht erneuten hydraulischen Abgleich

erforderlich

• Erzeuger mit Rücklaufminimalbegrenzung

Fig. 3-50 Verteiler mit Hauptpumpe für druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss in

Beimischschaltung Ventile der Verbrauchergruppen geschlossen (links) und offen

(rechts)

• Rücklauftemperatur hoch (zwischen Verbraucher-Rücklauf und

Erzeuger-Vorlauf)

• Volumenstrom konstant über Erzeuger

• klare hydraulische Entkopplung zwischen Erzeuger- und

Verbraucherseite

• benötigt Abgleichdrosseln nur in Verbraucherkreisen

(zum Einstellen des Nennvolumenstroms)

• Erzeuger, die eine hohe Rücklauftemperatur erfordern

3.5.1.3 Verteiler mit Hauptpumpe

(Typ 3), für Verbrauchergruppen

in Verteilschaltung oder

Einspritzschaltung mit Dreiwegventil

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

3.5.1.4 Verteiler mit Hauptpumpe

(Typ 4), für druckdifferenzlosen

Verbraucheranschluss

in Beimischschaltung

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

101

Bei Mehrkesselanlagen kommen Verteiler mit Hauptpumpe für druck-

differenzlosen Verbraucheranschluss wie unter 3.5.1.4 beschrieben sehr

oft zum Einsatz. Dabei wird eine grosszügig dimensionierte hydrau-

lische Ausgleichsleitung zwischen Vor- und Rücklauf eingebaut, die eine

hydraulische Entkopplung zwischen Erzeuger- und Verbraucherseite

erzielt. Diese Leitungsverbindung sollte, um eine thermische Schich-

tung zu erreichen, immer senkrecht installiert sein. Sie wird sehr oft

«hydraulische Weiche» genannt.

Damit die «hydraulische Weiche» korrekt funktioniert, sind gewisse

Dimensionierungs- und Einbaurichtlinien (VDMA 24 770) zu erfüllen.

In einer solchen Anlage können grundsätzlich drei Betriebsphasen

(vgl. Fig. 3-51) betrachtet werden:

• der Volumenstrom auf der Verbraucherseite ist gleich gross wie der

Volumenstrom auf der Erzeugerseite d.h. V.

V = V.

E ’hydraulische Wei-

che ist ohne Funktion

• der Volumenstrom der Verbraucherseite ist grösser als der Volumen-

strom auf der Erzeugerseite d.h. V.

V > V.

E ’die Differenzwassermen-

ge fliesst über die hydraulische Weiche vom Verbraucher-Rücklauf in

den Verbraucher-Vorlauf

• der Volumenstrom der Verbraucherseite ist kleiner als der Volumen-

strom auf der Erzeugerseite d.h. ’die zuviel produzierte Wassermen-

ge fliesst vom Erzeuger-Vorlauf in den Erzeuger-Rücklauf

Fig. 3-51 Mehrkesselanlage in Parallelschaltung mit «hydraulischer Weiche»

1 hydraulische Weiche B1 Heizkessel 1

2 Kesselfolgeregler B2 Heizkessel 2

3 Regelfühler V.

E Volumenstrom der Erzeugerseite

4 Kesselthermostaten V.

V Volumenstrom der Verbraucherseite

5 Regelung der Kesseleintrittstemperatur

B1 B2

4 4

2

3

1

EV VV. .

3.5.1.5 Hydraulische Weiche

Gross dimensionierte Ausgleichs-

leitung zwischen Vor- und Rücklauf

102

Der Heizkessel liegt am tiefsten Punkt des Systems (Fig. 3-52). Das

erwärmte Heizwasser hat eine geringere Dichte (ist leichter) als das

abgekühlte Rücklaufwasser und steigt deshalb im Vorlauf von selbst

hoch. Es ist keine Pumpe notwendig. Da die Druckdifferenz gering ist,

sind Rohrleitungen mit grossem Durchmesser nötig. Damit die Zirkula-

tion beim Anfahren in Gang kommt, dürfen im System möglichst keine

oder nur vereinzelte unbedeutende «Siphons» vorkommen.

Fig. 3-52 Schwerkraft-Verteilsystem mit unterer Verteilung und offenem

Ausdehnungsgefäss

Bei diesem System (Fig. 3-53) liegt die Vorlauf-Verteilleitung über den

höchsten Heizkörpern. Bei Schwerkraftsystemen kommt dadurch die

Zirkulation beim Aufheizen rascher in Gang.

Fig. 3-53 Zweirohrsystem mit oberer Verteilung und zentralem Entlüftungsgefäss (1)

Beim Einsatz einer Umwälzpumpe kann nebst der Vorlaufleitung auch

die Rücklauf-Sammelleitung über den höchsten Heizkörpern liegen. In

diesem Fall muss jedoch die Pumpenförderhöhe ausreichen, um beim

Anheizen das Wasser aus dem «Kaltwassersack» hinauszudrücken.

Dies ist das häufigste System. Vor- und Rücklaufleitungen sind unter der

Kellerdecke verlegt. Die Heizkörper werden an die senkrechten Stränge

angeschlossen.

Fig. 3-54 zeigt die Verteilung mit senkrechten Verteilsträngen. Diese ist

baulich meist einfach zu realisieren.

1

3.6 Verteilsysteme für Heizkörper

3.6.1.1 Schwerkraftsystem

3.6.1.2 Pumpensysteme

Zweirohrsystem

mit oberer Verteilung

Zweirohrsystem

mit unterer Verteilung

103

Fig. 3-54 Zweirohrsystem mit unterer Verteilung

(linke Seite mit örtlicher Entlüftung, rechte Seite mit zentraler Entlüftung)

1 örtliche Entlüftung

2 zentrales Entlüftungsgefäss

3 Luftleitungen

Bei einer Verteilung pro Stockwerk mit waagrechten Strängen kann

jede Wohnung oder jedes Stockwerk mit einem separaten Wärmezähler

ausgerüstet werden.

Die Anwendung von Kupfer- oder Weichstahlrohren erlaubt das Verlegen

im Unterlagsboden über der tragenden Decke. Allerdings reicht dann

der Platz für eine wirkungsvolle Isolierung nicht aus. Höhere Pumpen-

leistungen sind notwendig, damit der Rohrdurchmesser im Unterlags-

boden möglichst klein gehalten werden kann.

Die Rohrleitungen werden so geführt, dass für jeden Heizkörper der

gesamte Kreislauf gleich lang ist. Dadurch herrschen für jeden Heizkör-

per die gleichen hydraulischen Druckverhältnisse.

Fig. 3-55 Zweirohr-System mit Normalverlegung (links) und Tichelmann-Rohrführung

(rechts)

Auch mehrere Heizkessel oder Warmwasserspeicher werden nach

Tichelmann angeschlossen. Besonders wichtig ist diese Anschlussart

bei Sonnenkollektoren.

Tichelmann-System

104

Einrohrsysteme bestehen aus Ringleitungen, an welche die Heizkörper

im Nebenschluss mit ihrem Vor- und Rücklauf angeschlossen sind.

Auf diese Weise zirkuliert das Heizwasser auch dann weiter in der

Ringleitung, wenn einzelne Heizkörper ganz abgesperrt sind.

Ähnlich wie beim Zweirohrsystem kann eine Einrohrheizung als senk-

rechtes System oder als waagrechtes System gebaut werden.

Das senkrechte System mit oberer Verteilung wird manchmal bei

Hochhäusern angewandt. Es erlaubt eine rationelle Montage.

Das waagrechte System ist anpassungsfähig an den Baukörper und

erlaubt den Einsatz individueller Wärmezähler. Die senkrechten Haupt-

stränge werden z.B. im Leitungsschacht der Sanitärräume verlegt. Die

daran angeschlossenen Ringleitungen werden im Unterlagsboden oder

unter Fussleistenabdeckungen geführt.

Fig. 3-56 Einrohrheizung mit waagrechter Verteilung in einem Bürogebäude

Fig. 3-57 Einrohrheizung mit waagrechter Verteilung in einem Mehrfamilienhaus

Einrohrsystem

105

Bei der Stockwerksheizung hat jedes Stockwerk oder jede Wohnung

ihren eigenen Wärmeerzeuger, meist ein Gas-Durchflusserwärmer mit

werkseitig eingebauter Umwälzpumpe und Ausdehnungsgefäss. Die

Verteilleitungen zu den Heizkörpern können im Unterlagsboden oder

hinter Sockelleisten verlegt werden.

Jeder Heizkörper gibt die Differenz zwischen dem mit dem Wasser

zufliessenden und dem wegfliessenden Wärmestrom teilweise durch

Strahlung und teilweise durch Konvektion (d.h. Wärmetransport mit

bewegter Luft) an seine Umgebung ab.

Wie gross die Anteile der Wärmeabgabe durch Strahlung und durch

Konvektion eines freistehenden Heizkörpers sind, hängt von seiner

Form ab.

Fig. 3-58 Wärmeabgabe von Heizkörpern

links: vorwiegend durch Strahlung (Heizwand)

mitte: durch Strahlung und Konvektion (Radiator)

rechts: vorwiegend durch Konvektion (Konvektor)

Die Wärmeabgabe eines Heizkörpers sollte möglichst unbehindert

erfolgen können. In der Praxis wird sie jedoch durch eine Reihe von Ein-

flüssen vermindert (siehe 3.7.1.2).

In solchen Fällen muss deshalb die mittlere Heizkörpertemperatur –

also im Normalfall die Vorlauftemperatur – erhöht werden, um diese

Einflüsse zu kompensieren. (Normwärmeleistung von Heizkörpern:

siehe DIN 4703)

Heizkörperverkleidungen, Abdeckungen, Vorhänge oder Möbel verklei-

nern die Luftströmung um den Heizkörper und somit seine konvektive

Wärmeabgabe sowie seine Wärmeabgabe durch Strahlung.

Werden die vom Hersteller angegebenen Wand-, Boden- und Fenster-

brett-Abstände unterschritten, so kann die Wärmeabgabeleistung 15 %

oder mehr sinken.

Wird ein Heizkörper nicht in üblicher Weise (Vorlauf oben, Rücklauf

unten) angeschlossen, so kann die Minderleistung bis zu 25 %

betragen.

Einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeabgabe eines Heizkörpers hat

die Luftdichte und damit auch die Meereshöhe. Die Minderleistung

beträgt pro 1000 m ü.M. etwa 5 %.

Helle oder dunkle Farben spielen keine Rolle. Einzig beim Anstrich mit

Metallbronze vermindert sich die Wärmeabgabe um etwa 10 %

(gemäss anderer Quelle bis zu 25 %).

3.6.1.3 Stockwerksheizung

3.7 Wärmeabgabe bei Warmwasser-

Zentralheizungen

3.7.1 Heizkörper

3.7.1.1 Grundsätzliches zur

Wärmeabgabe

3.7.1.2 Einflüsse auf die Wärmeabgabe

eines Heizkörpers

Verkleidung

Einbau

Anschlussart

Luftdichte

Anstrich

106

Auf dem Markt wird eine grosse Anzahl unterschiedlicher Fussboden-

heizungs-Systeme angeboten. Je nach Fabrikat werden die Rohre

kreisförmig oder schlangenförmig im Boden verlegt (vgl. Fig. 3-59).

Angestrebt wird eine möglichst gleichmässige Oberflächentemperatur

und nötigenfalls eine verstärkte Beheizung der Randzone entlang der

Aussenwände durch engere Rohrabstände. Fussbodenheizungen sind

typische Niedertemperatur-Heizsysteme und können deshalb sehr wirt-

schaftlich mit Niedertemperatur-Heizkesseln, Wärmepumpen oder Son-

nenenergie betrieben werden. Sie werden ausserdem als sehr behag-

lich empfunden und deshalb vor allem in Wohnbauten und – als Grund-

lastheizung – in Hotelzimmern eingesetzt.

Fig. 3-59 Fussbodenheizung mit Anschlusskasten (im Hintergrund)

In gut wärmegedämmten Gebäuden haben die Argumente zugunsten

der Fussbodenheizung bezüglich Behaglichkeit und Energieverbrauch

nicht mehr ihre frühere Bedeutung. Einerseits liegt die Oberflächentem-

peratur des beheizten Fussbodens nur noch wenig über der Raumluft-

temperatur. Andererseits liegt die raumseitige Oberflächentemperatur

der Aussenbauteile (Wände, Fenster) nur wenig unter der Raumlufttem-

peratur und gewährleistet eine genügende thermische Behaglichkeit

auch ohne Fussbodenheizung.

Im Vergleich mit den Niedertemperatur-Heizkörpern ergeben sich

folgende Vor- und Nachteile für die Fussbodenheizung:

Vorteile

– Besondere Eignung für Wärmepumpen und Solarwärme wegen den

tieferen Heizwassertemperaturen (max. 35 °C) und wegen der

Wärme-Speicherfähigkeit

– weniger Leitungsschlitze und dadurch weniger bauliche

Nebenarbeiten

– keine Vorhänge vor den Heizkörpern

– keine Heizkörper-Platzierungsprobleme

Nachteile

– grössere Wärmeträgheit und dadurch schlechtere Regelbarkeit

– hohe Kosten bei nachträglichen Änderungen oder Reparaturen an

den Heizflächen

– Einschränkungen bezüglich der Inneneinrichtung (z.B.Teppiche),

sowie der flexiblen Raumtrennung

3.7.2 Fussbodenheizungen

Systeme

Fussbodenheizung oder

Niedertemperatur-Heizkörper?

Vor- und Nachteile

der Fussbodenheizung

107

Die Deckenheizung ist das älteste der Flächenheizsysteme. Weil die

Wärmeabgabe praktisch nur durch Strahlung (80%) erfolgt, muss die

Oberflächentemperatur der Decke, im Vergleich zur Fussbodenheizung

relativ hoch sein. In Wohn- und Bürogebäuden war deshalb das Resul-

tat: «Heisser Kopf und kalte Füsse», was als sehr unbehaglich empfun-

den wurde. Aus dem ursprünglichen System mit einbetonierten Stahl-

rohren (Anfang 20. Jh.) haben sich die folgenden vier Prinzipvarianten

entwickelt (Fig. 3-60):

– Rohrdeckenheizung (a) mit im Konstruktionsbeton (Crittall-Heizung)

oder in einem Mörtelüberzug eingebetteten Rohren. Betriebstem-

peraturen max. 55/40 °C und träge Regelbarkeit.

– Lamellendeckenheizung (b), kombinierbar mit lufttechnischen

Anlagen. Betriebstemperaturen 90/70 °C und weniger träge Regel-

barkeit.

– Hohlraumdeckenheizung (c), kombinierbar mit lufttechnischen

Anlagen. Betriebstemperatur 90/70 °C und weniger träge Regel-

barkeit.

– Strahlplattenheizung (d), Betriebstemperatur im Heisswasser-

bereich, über 100 °C.

Fig. 3-60 Die vier Grundbauarten von Deckenheizungen

a) Rohrdeckenheizung c) Hohlraumdeckenheizung

b) Lamellendeckenheizung d) Strahlplattenheizung

Heute wird von diesen Systemen praktisch nur noch die Strahlplatten-

heizung im Industriebereich z.B. Lager-, Fabrik- und Flugzeughallen,

eingesetzt.

Eine Wandheizung mit milden Oberflächentemperaturen erfüllt die

Bedingungen des thermischen Komforts sehr gut, da eine wesentlich

grössere Fläche des stehenden oder sitzenden Menschen angestrahlt

wird als bei Fussboden- oder Deckenheizung.

Die Heizrohre können einbetoniert oder in einem Mörtelüberzug unter-

gebracht werden. Dahinter ist eine ebenso gute Wärmedämmung wie

bei einer Fussbodenheizung notwendig, insbesondere bei Aussenwän-

den. Die Wandheizung wird eher selten eingesetzt.

3.7.3 Deckenheizung

3.7.4 Wandheizung

108

Zentralheizungsanlagen mit Betriebstemperaturen über 100 °C werden

für die normale Raumheizung nicht gebaut. Hingegen kommen sie in

Frage für

– die Nah- und Fernverteilung von Wärme,

– die Beheizung grosser Hallen,

– Prozesswärme in der Industrie.

Planung, Montage und Betrieb erfordern besondere Fachkenntnisse.

Unter bestimmten Betriebsbedingungen sind behördliche Vorschriften

zu beachten, und zum Teil besteht Kontroll- und Überwachungspflicht.

Wird Wasser unter Druck gesetzt, können Temperaturen über 100 °C

erreicht werden, ohne dass Dampf entsteht. Als Heisswasserheizung

gilt jedes System, bei dem im Heizkessel eine Temperatur von 110 °C

erreicht oder überschritten wird. Bedingt durch den Betriebsdruck, der

noch Bauteile mit Nenndruck PN 40 zulässt, liegt die oberste Tempera-

turgrenze bei 230 °C. In der Praxis werden 180 °C jedoch kaum über-

schritten.

Die Heisswasserheizung wird vor allem als Deckenstrahlungsheizung in

Fabrikationshallen zur Beheizung der Arbeitsplätze mittels Bandstrah-

lern oder Strahlplatten eingesetzt. Der Vorteil dieses Systems liegt da-

rin, dass die Luft auf direktem Weg kaum erwärmt wird und deshalb

keine Übererwärmung des oberen Hallenbereichs erfolgt.

Eine Heisswasserheizung unterscheidet sich von einer normalen

Warmwasserheizung durch besondere Sicherheitseinrichtungen und

die Speiseeinrichtung.

Das Heizwasser kann erwärmt werden in einem

– Heisswasserkessel

– Dampfkessel

– Dampf-Heisswasser-Umformer

– Dampf-Heisswasser-Mischkondensator

(Rücklaufwasser wird durch Mischung mit Dampf erhitzt)

– Elektro-Durchflusserhitzer

– Elektrokessel mit Elektroden für Hochspannung

– Wärmetauscher zur Abwärmeverwertung von Gas- oder

Dieselmotoren

Dampfheizungen werden für Industriebetriebe gebaut, wenn aus pro-

duktionstechnischen Gründen Dampf als Prozesswärme benötigt wird.

Verfügt ein Industriebetrieb über eine Dampferzeugungsanlage mit

umfassendem Verteilnetz, so werden auch die Lufterhitzer und

Befeuchter der Klimaanlagen mit diesem Dampf betrieben. Dampf wird

auch – wie Heisswasser – als Wärmeträgermedium verwendet, wenn

Wärme über grosse Entfernungen transportiert werden muss.

Bei diesen Systemen wird für die Pufferung von Wärme- und Kältelas-

ten die gebäudeeigene Speicherkapazität genutzt. Gleichzeitig werden

die Decken und Wände als Heiz- und Kühlflächen verwendet. Dazu wer-

den Rohrleitungen direkt in die Betondecken des Gebäudes integriert.

In den Rohrleitungen zirkuliert Wasser, das je nach Bedarf geheizt oder

gekühlt werden kann, um die gewünschte Deckentemperatur zu errei-

chen. Um die Speicherkapazität nutzen zu können, darf die Decken-

unterseite nicht verkleidet sein!

3.8 Zentralheizungsanlagen

mit Betriebstemperaturen über 100 °C

3.8.1.1 Heisswasserheizung

3.8.1.2 Dampfheizung

3.9 TABS – Thermisch aktive

Bauteil-Systeme

Betondecken als

Wärme-/Kältespeicher

und Heiz-/Kühlflächen

109

Fig. 3-61 Eingelegte Rohrleitungen zurTemperierung der unverkleideten Geschossdecke

(Quelle: Zent-Frenger)

Bei diesen Systemen wird, im Gegensatz zu herkömmlichen Heiz-

und Kühlsystemen, nur mit temperiertem Wasser gearbeitet, d.h. die

Wassertemperatur liegt üblicherweise im Bereich von 18 °C (Kühlfall)

bis 26 °C (Heizfall). Je besser der bauliche Wärmeschutz, umso gleich-

mässiger kann die Temperatur der thermisch aktiven Geschossdecke

gehalten werden. In gewissen Gebäuden ergibt sich dadurch sogar die

Möglichkeit, dass überschüssige Wärme von einem Gebäudeteil in

einen anderen Gebäudeteil «verschoben» werden kann.

Der Wärmeaustausch zwischen der temperierten Geschossdecke und

dem Raum erfolgt zu einem grossen Teil über Strahlung (ca. 60 %), was

die Behaglichkeit im Raum erhöht.

Betriebserfahrungen aus Gebäuden mit thermisch aktiven Bauteilen

zeigen, dass die Gebäudebenutzer sehr zufrieden sind und sich wohl

fühlen. Allerdings müssen sie gut über das System und sein thermi-

sches Verhalten (z.B. variable Temperatur über den Tagesverlauf) infor-

miert werden und es dauert eine gewisse Zeit, bis sie sich daran

gewöhnt haben. Problematisch können in gewissen Räumen die freien

Deckenflächen sein, da ohne entsprechende Gegenmassnahmen star-

ke Halleffekte auftreten können.

Auf Grund der moderaten Wassertemperaturen ergibt sich die Mög-

lichkeit zum wirtschaftlichen Einsatz von alternativen Methoden zur

Wärme- und Kältegewinnung.

So lassen sich beispielsweise das Erdreich oder Grund-/Seewasser als

Wärmequelle für den Heizfall nutzen (mit Hilfe einer Wärmepumpe)

oder im Kühlfall direkt als Kältequelle resp. Wärmesenke einsetzen.

In einigen Gebäuden wird auch, durch Rohrverlegung in Grundpfählen,

Bodenplatten oder Schlitz-/Spundwänden, die im Erdreich vorhandene

Wärme- resp. Kälteenergie zurTemperierung des Wassers herange-

zogen.

Temperiertes Wasser

von ca. 18…26 °C

Betriebserfahrungen

Nutzung alternativer Wärme-

und Kältequellen

110

Fig. 3-62 Energiepfahl (links) und Energiebodenplatte (rechts) zur Nutzung

der Energie im Erdreich

(Quelle: Zent-Frenger)

Elektrisch betriebene Wärmpumpen und Kältemaschinen arbeiten

umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der

kalten Verdampferseite und der warmen Kondensatorseite ist. Die an-

nähernd konstant bleibende Temperatur der Wärmequelle (Erdreich ca.

12 °C) spart also einigen Antriebsstrom, wenn die Wärmepumpe im

winterlichen Heizbetrieb eingesetzt wird. Kann im Sommer die Abwär-

me bei der Klimakälteerzeugung an das Erdreich abgegeben werden

(vor allem bei hohen Aussentemperaturen im Sommer), so sinkt der

Strombedarf ebenfalls massiv.

Durch die zuvor angesprochenen moderaten Wassertemperaturen bei

Systemen mit thermisch aktiven Bauteilen, kann dieser Vorteil voll

ausgenutzt werden. Bei richtiger Auslegung der Wärmepumpe sind so

Jahresarbeitszahlen von 4.5 bis 5 durchaus realisierbar.

Umschaltbare Wärmepumpe/

Kältemaschine

111

Die Ursachen für die Forderung nach «Kälte» stammen ursprünglich

aus dem Bereich der Lebensmittelversorgung und daher beschäftigt

sich der Mensch seit Urzeiten mit dem Thema Kühlung.

In mit nassen Tüchern umwickelten Tonbehältern oder in Feldflaschen,

wurden Lebensmittel oder die Flüssigkeit im Behälter gekühlt.

Das Prinzip: Wärmeentzug durch Verdunstung von Wasser.

Die uns bekannten anfänglichen Überlegungen zum Thema «Technische

Kühlung» und somit dem Fachgebiet der «Kältetechnik» stammen aus

dem Jahr 1834, als Jacob Perkins in einer Patentschrift eine Kaltdampf-

maschine mit geschlossenem Kreislauf und Äthyläther beschrieben hat.

Ca. 40 Jahre später (1876) verwendet Carl Linde erstmals Ammoniak

als Kältemittel bei einer Kaltdampfmaschine mit Kolbenverdichter.

1910 tauchen die ersten Haushaltskühlschränke auf und 1930 werden

die Kältemittel R 11, R 12, R 13, R 22, R 113 und R 114 entwickelt.

Hinter einer Kältemaschine verbirgt sich nichts anderes als der uns allen

bekannte Kühlschrank:

Funktion: Warme Speisen werden hineingestellt, Wärme wird an ein

Transportmedium abgegeben, nach aussen geführt (Rückseite) und an

die Umgebungsluft abgegeben.

Den Energietransport übernimmt ein Medium (Kältemittel) welches

bei der Wärmeaufnahme verdampft und bei der Wärmeabgabe wieder

kondensiert.

Aus derThermodynamik wissen wir, dass Wärme nur von einem Stoff

mit höherer, auf einen Stoff mit tiefererTemperatur übergehen kann,

und aus der Strömungslehre, dass eine Flüssigkeit nur von einem

höheren auf ein tieferes Niveau fliesst.

Setzt man jedoch eine Pumpe ein, kann eine Flüssigkeit auch von

einem tieferen auf ein höheres Niveau strömen. Nach diesem Prinzip

funktioniert der Energietransport bei der Kältemaschine bzw. Wärme-

pumpe.

Aufgrund des Ursprungs der Kältetechnik unterteilte man die Technik in

folgende Bereiche:

• Grosskälte (industrielle Kälte)

• Kleinkälte (kommerzielle Kälte)

• Kühlschränke und Truhen (Haushalt Kälte)

In diesem Bereich wurden Grossanlagen für Brauereien, Schlachthöfe,

Kühlhäuser und Eisfabriken sowie Kühlschiffe gebaut.

Nach dem ersten Weltkrieg wurde der Bedarf wesentlich grösser und

man unterteilte die Bereiche in Kälteerzeugung für:

Lebensmittel, Verfahrens- und Lufttechnik

Die verschiedenen Anwendungen und Zuordnungen in diesen Berei-

chen erklärt nachfolgende Tabelle. Die Markierungen deuten auf die uns

eher bekannten Prozesse hin.

4.1 Einleitung

Technische Kühlung

Energietransport

Einsatzgebiete der Kältetechnik

4. Kältetechnik

112

Übersicht: Anwendungsgebiete der «Kältetechnik»

In der Lebensmittelbranche ist die Anwendung der Kältetechnik die

beste und gesündeste Methode Lebensmittel über längere Zeiträume

und über verschiedene Klimazonen hinweg frisch zu halten und somit

unsere Versorgung sicherzustellen.

In der Verfahrenstechnik kann durch die Anwendung der Kältetechnik

schneller und preisgünstiger produziert werden.

In der Luft-Klimatechnik ist der Einsatz der Kältetechnik ein wesent-

licher Faktor für unser Wohlbefinden an Arbeitsplätzen und Aufenthalts-

räumen allgemein.

In der Klimatechnik wird neben der Heizenergie im Winter, für den

Sommerzeitraum Kälteenergie zur Kühlung und Entfeuchtung der Luft

benötigt.

Grundsätzlich lassen sich die Möglichkeiten zur Kühlung in zwei Haupt-

gebiete einteilen:

a) Kühlung mit Oberflächen Wasser

b) Technische Kühlung mittels Kältemaschine

Die Energie- bzw.Wärmerückgewinnung ist ein sehr aktuelles Thema

im Bereich der Kältetechnik.

Lebensmitteltechnik

– Erzeugung

Brauereien

Fangschiffe

– Transport

See

Schiene

Strasse

Luft

– Lagerung

Kühlhäuser

Gefrierlagerhäuser

Gewerbliche Kühlzellen

– Vertrieb

Verkaufstruhen

Getränkeautomaten

– Haushalt

Kühlschränke

Tiefkühltruhen

Verfahrenstechnik

– Chemische Industrie

Abführen von Reaktions-

und Lösungswärme

Auskristallisieren von

Salzen

Gasverflüssigung und

-trennung

– Raffinerien

– Kryotechnik

(Tieftemperaturbereich)

Gewinnen von Edelgasen

Supraleittechnologie

– Bautechnik

Abteufen von Schächten

Betonkühlung

– Medizin

Blutbänke

Kälteanästhesie

– Vakuumtechnik

– Seetransport

Flüssiggas

– Sportarenen

Kunsteisbahnen

Lufttechnik

– Klimatechnik

Versammlungsräume

Theater, Büro u.s.w.

Krankenhäuser

Druckereien

Schwimmbäder

Bergwerke

– Raumfahrt

Umweltsimulation

Windkanal

– Fertigung

Materialprüfung

Messräume

Möglichkeiten der Kälteerzeugung

113

Grund-, See-, Fluss- oder Leitungswasser mit Temperaturen von ca.

6–18 °C steht in ausreichendem Masse fast überall zur Verfügung und

würde ausreichen, um Raum- oder Aussenluft von wärmer als 20 °C

abzukühlen.

Aus der Formel

Q = m * c * Δ� oder Q = m * Δh

lässt sich ableiten, wie gross die Wassermenge sein muss, um eine

entsprechende Menge Luft auf ein tieferes Temperaturniveau zu brin-

gen.

Lösungen: Als einfache Möglichkeiten werden Nass- oder Oberflächen-

kühler eingesetzt.

Fig. 4-1 Nasskühler (Verdunstungskühler), Oberflächenkühler

1 Kühlwasserquelle, 2 Nasskühler, 3 Oberflächenkühler

Im Nasskühler wird Oberflächenwasser (8 °C) direkt in eine Kammer

gesprüht. Die durch diese Kammer geführte (warme) Luft lässt eine Teil-

menge des Wassers verdunsten. Die Wärme, die das Wasser zum Ver-

dunsten benötigt, wird der Umgebungsluft entnommen.

In Kürze

– Luft kühlt ab und nimmt Feuchtigkeit auf

– Wasser verdunstet

– der Verdunstungsanteil des Wassers muss nachgeführt werden

Im Oberflächenkühler wird Wasser über einen Wärmetauscher im Luft-

kanal geführt. Die Luft streicht über die (kalte) Oberfläche des Wärme-

tauschers und wird somit abgekühlt, eventuell entfeuchtet.

In Kürze

– Luft kühlt ab

– Wasser wird warm und in die Quelle zurückgeführt

– Wasser muss ständig nachgeführt werden.

In der Wärmepumpentechnik kommt diese Art häufig zur Anwendung

(Wasser / Wasser-Wärmepumpe). Die Energie des Oberflächenwassers

wird über den Kältekreislauf an einen Heizkreis abgegeben (siehe Erklä-

rung «Kompressions-Kreislauf»).

4.2 Kühlung mit Oberflächenwasser

Nasskühler

Oberflächenkühler

114

Vorteile

• Einfacher Anlagenaufbau

• Energiequelle Wasser immer vorhanden

Nachteile

• Schwankende Wassertemperaturen (ausser See-, Grund- oder

Brunnenwasser)

• Wenn Kühlung benötigt wird (Sommer) ist die Wassertemperatur

hoch, d.h. Δ� ist klein (Q = m * c * Δ�).

• Verdunstungsprinzip benötigt Wasser

• Oberflächenprinzip wärmt Wasser auf

Früher wurde für diese Zwecke häufig Leitungs- oder Brunnenwasser

verwendet. Diese Nutzungsart ist jedoch aus ökonomischen und ener-

getischen Gründen nicht empfehlenswert und wird heute selten ange-

wendet.

Die Entnahme von Oberflächenwasser bedarf der behördlichen Geneh-

migung und heute wird im Bereich der Kältetechnik überwiegend die

technische Kühlung «Kältemaschine» zur Erzeugung und Bereitstellung

der benötigten Kälteenergie eingesetzt.

Aber auch der Einsatz von Kältemaschinen unterliegt aus sicherheits-

technischen und ökologischen Gesichtspunkten gesetzlichen Vorschrif-

ten.

Im Kompressions-Kältemaschinen-Kreisprozess wird einem zu kühlen-

den Medium (Luft, Wasser) Wärme entzogen und an ein anderes

Medium (ebenfalls Luft oder Wasser) abgegeben. Als Transportmedium

werden «Kältemittel» verwendet. Der Wärmetransport erfolgt durch die

Aggregatzustandsänderung des Kältemittels.

Bei der «Wärmepumpe» nutzt man den «technischen Kälteprozess»

um einem Medium Wärme zu entziehen und diese Wärme einem

anderen Medium zuzuführen.

Man kühlt eine Wassermenge durch Wärmeentzug ab, um mit dieser

entzogenen Wärme eine andere Wassermenge zu erwärmen.

In der Heizungstechnik könnte dies konkret bedeuten, dass man Grund-

wasser von 10 °C auf 5 °C abkühlt, um damit eine Bodenheizung mit

30 °C Rücklauftemperatur und 45 °C Vorlauftemperatur zu betreiben.

Einen grossen Aufschwung erlebte die Kältetechnik in den 70–80er

Jahren, durch den verstärkten Einsatz von Wärmepumpen, hervor-

gerufen durch die «Energiekrise».

Vor- und Nachteile des Nass- und

Oberflächenkühlers

4.3 Kompressions-Kältemaschinen-

Kreisprozess

4.3.1 Aufgabe des Kreisprozesses

Wärmepumpe (WP)

Beispiel

Wasser / Wasser WP

115

In einem Kältemaschinen-/Wärmepumpen-Kreisprozess nützt man die

Fähigkeit eines Stoffes bzw. Kältemittels, seinen Aggregatzustand zu

ändern und dabei – ohne seine Temperatur zu ändern – relativ grosse

Wärmemengen aufzunehmen oder abzugeben. Mögliche Aggregatzu-

stände sind: Fest, flüssig oder gasförmig.

Ein Kreisprozess ist nur deshalb möglich, weil die Aggregatzustands-

Änderungen umkehrbar sind. Die möglichen Aggregatzustands-Ände-

rungen und deren Bezeichnungen zeigt die folgende Tabelle:

Da Wasser auch in speziellen Kältemaschinen-/Wärmepumpen-Kreis-

prozessen als Kältemittel verwendet wird, nutzen wir für die Erklärung

der Zusammenhänge im Kältekreislauf diese Zustands-Änderungen und

die dabei aufgenommenen und abgegebenen Wärmemengen am Bei-

spiel von 1 kg Wasser bei Normbedingungen (Luftdruck = 1,013 bar).

Die Temperatur- und Aggregatzustands-Änderungen des Wassers lassen

sich mit Hilfe des Temperatur-Enthalpie-Diagramms darstellen. Die ein-

getragenen Enthalpiewerte beziehen sich auf 1 kg Wasser bei atmo-

sphärischem Druck von 1,013 bar.

Fig. 4-2 Temperatur-Enthalpie-Diagramm

A – B: Flüssigkeitserwärmung (Sensible Wärme)

B – C: Verdampfung (Latente Wärme)

C – D: Überhitzung (Sensible Wärme)

Da für Wärmemengen-Berechnungen nur Enthalpie-Differenzen benö-

tigt werden, kann der Nullpunkt der Enthalpie-Skala beliebig festgelegt

werden. In den gebräuchIichen Wasserdampf-Tabellen, ist er identisch

mit dem Gefrierpunkt des Wassers. Das bedeutet, dass die Schmelz-

wärme in den angegebenen Enthalpiewerten nicht enthalten ist.

Die Gerade A – B stellt die sensible Wärme dar, die erforderlich ist, um

1 kg Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen. An der Stelle B kann auf

der Enthalpie-Skala dafür ein Wert h von 419 kJ/kg abgelesen werden.

115

100

-335 2257419

28,3

0 419 2676 2704,3h [kJ / kg]

t °C

010 A

B CD

Aggregatzustands-Änderung: Bezeichnung:

vom festen in den flüssigen schmelzen

vom flüssigen in den festen erstarren (bei Wasser: gefrieren)

vom flüssigen in den gasförmigen verdampfen (verdunsten)

vom gasförmigen in den flüssigen kondensieren (verflüssigen)

vom festen in den gasförmigen sublimieren (Sublimation)

vom gasförmigen in den festen resublimieren (Resublimation)

4.3.2 Physikalische Zusammenhänge

Zustands-Änderungen von Wasser

Temperatur-Enthalpie-Diagramm

116

Die Gerade B – C stellt den Verdampfungsprozess dar. Entlang dieser

Geraden wird kontinuierlich Wärme zugeführt, bis das Kilogramm Was-

ser bei Punkt C vollständig in Sattdampf übergegangen ist. Die Enthal-

pie dieses trocken gesättigten Dampfes beträgt dort 2676 kJ, also die

Summe aus 419 kJ sensibler und 2257 kJ latenter Wärme.

Die Umkehrung dieses Vorganges (gleicher Wärmeentzug von C nach B)

beschreibt den Vorgang der Kondensation (Verflüssigung)

Werden zwischen Punkt C und Punkt D weitere 28,3 kJ zugeführt,

wird der Dampf auf 115 °C überhitzt, die Enthalpie bei Punkt D beträgt

h = 2676 + 28,3 = 2704,3 kJ.

Um 1 kg Eis von 0 °C zu schmelzen bzw. in Wasser von 0 °C zu ver-

flüssigen, ist eine Wärmemenge von 335 kJ erforderlich (Fig. 4-3).

Diese Aggregatzustands-Änderung erfolgt bei konstanterTemperatur.

Die anschliessend im Wasser enthaltene Schmelzwärme wird deshalb

als latente (nicht fühlbare) Wärme bezeichnet.

Fig. 4-3 Schmelzwärme von Eis

Im Umkehrprozess muss 1 kg Wasser von 0 °C die Wärmemenge von

335 kJ entzogen werden, um dieses in 1 kg Eis von 0 °C umzuwandeln.

Einem kg Wasser muss eine sensible Wärmemenge von 419 kJ zuge-

führt werden, um dessen Temperatur von 0 °C auf 100 °C zu erhöhen.

Vorausgesetzt, dass Normdruck (atmosphärischer Druck auf Meereshö-

he von 1,013 bar; früher 760 mm Hg) herrscht, ist 100 °C der Siede-

punkt des Wassers, also der Punkt, bei dem die Verdampfung beginnt.

Aus dem Diagramm (Fig.4-4) ist ersichtlich, dass Wasser als Kältemittel

mit einer Verdampfungstemperatur im Bereiche von ca. + 5 °C nur dann

eingesetzt werden kann, wenn im Verdampfer ein Druck von ca. 0.01

bar (bzw. ein Unterdruck von ca. 0.99 bar gegenüber dem atmosphäri-

schen Normdruck) erzeugt werden kann, (lg p ist ein logarithmischer

Massstab für den Druck).

Fig. 4-4 Siedepunkt des Wassers in Abhängigkeit vom Luftdruck

100

10

1

0,1

0,01

0,001

-100 100 200 300 400 t (°C)

Log p (bar)

0

Schmelzen / Gefrieren

Erwärmen

117

Die Umwandlung von Wasser in Dampf ist eine Aggregatzustands-

Änderung, die wiederum bei konstanterTemperatur erfolgt. Einem kg

Wasser von 100 °C muss die Verdampfungswärme von 2257 kJ zuge-

führt werden, um dieses vollständig in Dampf von 100 °C zu verwan-

deln. Diese Verdampfungswärme ist dann als latente Wärmemenge im

Dampf enthalten. Addiert man zur Verdampfungswärme von 2257 kJ

die 419 kJ, die aufgewendet wurden, um 1 kg Wasser von 0 °C auf

100 °C zu erwärmen, so erhält man mit 2676 kJ den Wärmeinhalt oder

die Enthalpie h von 1 kg Sattdampf von 100 °C (Fig. 4-5). (Der Nullpunkt

der Enthalpie-Skala ist festgelegt auf die Stofftemperatur von 0 °C)

Fig. 4-5 Verdampfungsprozess und Enthalpieerhöhung von Wasser

Wird dem trocken gesättigten Dampf von 100 °C weiterhin Wärme

zugeführt, erfolgt eine Temperaturerhöhung, die sogenannte Überhit-

zung des Dampfes (Fig 4-6). Bei der Überhitzungswärme handelt es

sich wieder um sensible Wärme. Um die Temperatur des Kilogramm

Dampfes z.B. von 100 °C um 15 K zu erhöhen, ist eine sensible Wärme-

menge Q von 28,3 kJ erforderlich. Dies folgt aus folgender Formel:

Q = m * cp * (� – �s)

= 1 * 1,88 * (115 °C – 100 °C)

= 28,3 (kJ)

cp = spezifische Wärme des überhitzten Dampfes [kJ/kg K]

m = Masse [kg]

� = Temperatur des überhitzten Dampfes [ °C]

�s = Siedetemperatur des Wassers [ °C]

Fig. 4-6 Überhitzung und Enthalpieerhöhung des Dampfes

2676 kJ

1 kg

100 °C

100 °C

+ 28,3 kJ

2704,3 kJ

Verdampfen

Überhitzen

118

Die Aggregatzustands-Änderung vom flüssigen in den dampfförmigen

Zustand ist umkehrbar, d.h. der Dampf kann wieder in Flüssigkeit

umgewandelt werden. Dem Dampf wird dabei die latente Verdamp-

fungswärme von 2257 kJ/kg entzogen (Fig. 4-7).Bei der Betrachtungs-

weise der vorgenannten Zustandsänderungen wurde von rein theore-

tischen, absolut verlustfreien Prozessen ausgegangen, die in der Praxis

nicht möglich sind.

Fig. 4-7 Kondensation (Verflüssigung)

1 Sattdampf (1 kg), 100 °C 3 Kühlwasser, warm (+2257 kJ)

2 KühIwasser, kalt 4 Kondensat (1 kg Wasser), 100 °C

In der Kälte- / Wärmepumpentechnik benutzt man – statt des Tempera-

tur-Enthalpie-Diagramms – vorzugsweise das Enthalpie-Druck-Dia-

gramm (Fig. 4-8). Aus praktischen Gründen wählte man für den Druck

eine logarithmische Skala. In diesem Diagramm sind die Zustandsände-

rungen nicht mehr nur bei Normaldruck von 1,013 bar dargestellt, son-

dern sie können für verschiedene Drücke und entsprechende Tempera-

turen abgelesen werden. Für alle in der Praxis verwendeten Kältemittel

sind solche h,log p-Digramme erhältlich. In diese Diagramme können

die projektierten Wärmepumpen-/Kältemaschinen-Kreisprozesse einge-

zeichnet und die entsprechenden Enthalpie-Änderungen direkt auf der

Enthalpie-Skala abgelesen werden. Fig. 4-8 zeigt das Enthalpie-Druck-

Diagramm für Wasser.

Fig. 4-8 Enthalpie-Druck-Diagramm für Wasser (h,log p-Diagramm)

1 Flüssigkeitslinie (Verdampfungsbeginn) 4 Überhitzungsgebiet (Dampf)

2 Flüssigkeitsgebiet (Unterkühlung) 5 Sattdampflinie

3 Kritischer Punkt für Wasser/Dampf 6 Nassdampfgebiet (Flüssigkeit/Dampf)

A – B Verdampfungswärme bei p = 1.013 bar (2257 kJ/kg)

221374

100

6,98

1,013

0,01

0 419 2107,4 2676

2257

6

4

51

A B

3

2

h [kJ / kg]

t (°C) bar

1

2

3

2257 kJ

4

Kondensation (Verflüssigung)

Enthalpie-Druck-Diagramm

(h,log p-Diagramm)

119

Die vom Nullpunkt zum kritischen Punkt hochsteigende Linie zeigt den

Verdampfungsbeginn der Flüssigkeit. Die Fortsetzung dieser Linie, vom

kritischen Punkt hinunter zur Enthalpie-Skala, zeigt den Überhitzungs-

beginn des Sattdampfes. Zieht man bei einem bestimmten Druck (hier

1.013 bar) eine Horizontale durch diese beiden Linien, kann bei Punkt A

die Enthalpie der gesättigten Flüssigkeit und bei Punkt B diejenige des

gesättigten Dampfes abgelesen werden. Die Differenz der Werte A und

B entspricht der Verdampfungswärme.

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Verdampfungswärme mit

steigendem Druck und steigenderTemperatur geringer wird, um

schliesslich beim kritischen Punkt einen Zustand zu erreichen, bei dem

der Verdampfungsbeginn der Flüssigkeit mit dem Überhitzungsbeginn

des Dampfes identisch ist. Bei Wasser liegt der kritische Druck bei

221,2 bar und die kritische Temperatur bei 374,1 °C.

Als Kältemittel bezeichnet man das in einem Kältemaschinen-/Wärme-

pumpen-Kreisprozess umlaufende Arbeitsmedium. Die Grundlagen des

Kreisprozesses haben wir bisher am Beispiel der Zustandsänderungen

von Wasser behandelt. Wasser bietet viele der Eigenschaften, die von

einem Kältemittel verlangt werden. Wasser ist ungiftig, nicht brennbar

und bietet eine relativ grosse Verdampfungswärmekapazität. Deshalb

wird Wasser bei Dampfstrahl- und Absorptions-Kältemaschinen/-Wär-

mepumpen als Kältemittel verwendet.

Grundsätzlich kann jeder Stoff als Kältemittel verwendet werden, wel-

cher sich bei technisch erreichbaren Drücken und bei den gewünschten

Temperaturen verflüssigen und verdampfen lässt.

Es kann aus unterschiedlichen chemischen Verbindungen bestehen,

muss sich aber chemisch neutral verhalten, es darf nicht explosiv, nicht

brennbar und nicht giftig sein. Die Wahl des Kältemittels hängt vom

Anwendungsbereich der Kältemaschine ab. In der Klimatechnik sind die

Kältemittel R134a und R 407C R404A R507 die gebräuchlichsten.

Weitere Ausführungen und Zusammenhänge werden im Modul «Kälte-

technik» behandelt.

Im Funktionsschema Kältekreislauf ist zu erkennen, dass ein geschlos-

senes Rohrsystem den Kältekreislauf darstellt. Dieses Rohrsystem

durchströmt ein Arbeitsmittel, das Kältemittel. Das Kältemittel über-

nimmt den Transport der Wärme im Kältekreislauf.

Die in der Darstellung gewählten Druck- und Temperaturangaben

beziehen sich in etwa auf das Kältemittel R134a.

An vier Stellen dieses Rohrsystems bestehen nun Möglichkeiten, von

aussen auf das Kältemittel einzuwirken.

Die vier Bauelemente, die auf das Kältemittel einwirken, sind:

• Verdampfer

• Verdichter (Kompressor)

• Verflüssiger (Kondensator)

• Expansionsventil (Drosselventil)

4.3.3 Kältemittel

Anforderung an Kältemittel

4.3.4 Der Kreisprozess

120

Fig. 4-9 Kreisprozess

Im einzelnen ist nun zu untersuchen, wie und warum man auf das

Kältemittel einwirkt.

Im Kompressions-Kreisprozess durchläuft das Kältemittel in einem

geschlossenen Kreislauf die 4 Zustandsänderungen:

Verdampfung bei relativ niedrigem Druck und tieferTemperatur.

Die Verdampfungswärme wird von einem Wasser- oder Luftstrom in

einem Wärmeübertrager an das Kältemittel abgegeben. Die Temperatur

des Wasser- oder Luftstroms muss dabei höher sein als die Verdamp-

fungstemperatur des Kältemittels. Fig. 4-9 zeigt den Verdampfungspro-

zess als Aggregatzustandsänderung bei 2 °C mit dem entsprechenden

Druck von ca. 3,3 bar. Wärme wird vom wärmeren Medium auf der Pri-

märseite, zum Kältemittel auf die Sekundärseite des Verdampfers über-

tragen. Dadurch wird das primärseitige Medium abgekühlt und das Käl-

temittel verdampft. Die Wärme ist nun in latenter Form im Kältemittel

enthalten. Die Enthalpie des Kältemittels hat sich erhöht, während sei-

ne Temperatur unverändert geblieben ist.

Verdichtung (Kompression) des Kältemittel-Dampfes im Kompressor auf

einen höheren Druck. Dadurch steigt auch die Temperatur des Kältemit-

teldampfes in den Überhitzungsbereich.

Der Verdichter saugt den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer an und

komprimiert diesen von ca. 3,3 bar auf ca. 15,5 bar Druck. Dabei steigt

auch dessen Temperatur auf ca. 100 °C an und es entsteht überhitzter

Dampf. Die Erhöhung der Enthalpie entspricht der mechanischen

Antriebsenergie des Kompressors, die im theoretischen Carnot-Prozess

vollständig als Wärme in den Kältemitteldampf übergeht.

� = max + 100 °Cp = 15,5 bar

� = max + 60 °Cp = 15,5 bar

flüssig

flüssig

AggregatzustandsänderungAbgabe von Kondensationswärme

� = +2 °Cp = 3,3 bar

� = +2 °Cp = 3,3 bar

im Verflüssiger

im Expan-sions-ventil

im Verdampfer

imVerdichter

gasförmig

gasförmig

AggregatzustandsänderungAufmahme von Verdampfungswärme

Verdampfer

Verdichter

121

Kondensation (Verflüssigung) des «heissen» Kältemitteldampfes. Dabei

übergibt der Kältemitteldampf in einem Wärmeübertrager die aufge-

nommene Verdampfungs- und Überhitzungswärme einem Wasser- oder

Luftstrom, der kälter sein muss, als die Kondensationstemperatur des

Kältemittels.

Bei fortgesetzter Wärmeabgabe des primärseitigen Kältemitteldampfes

an das sekundärseitige Kühlmedium, erfolgt die kontinuierliche Ver-

flüssigung des Kältemitteldampfes. Am Austritt des Kondensators

besteht das Kältemittel vollständig aus Flüssigkeit mit einerTemperatur

von ca. 60 °C und einem unveränderten Druck von ca. 15,5 bar.

Entspannung (Expansion) des heissen Kältemittel-Kondensates vom

Kondensations- auf den Verdampfungsdruck in einem speziellen Dros-

sel- und Dosierorgan (Expansionsventil). Das Druck-/Temperatur-Niveau

des flüssigen Kältemittels ist noch zu hoch für eine direkte Rückführung

in den Verdampfer und muss mit Hilfe einer Drossel-/Dosiervorrichtung

wieder auf den Verdampfungsdruck entspannt werden. Diese Vorrich-

tung sorgt nicht nur für die Druckreduktion sondern auch für die richtige

Dosierung der Kältemittelmenge, entsprechend der geforderten Ver-

dampferleistung. Je nach dem gewünschten Steuereingriff in den Kreis-

prozess, kann es sich dabei um ein hand-, temperatur-, druck- oder

niveaugesteuertes Expansionsventil, oder – in kleinen Kühlgeräten –

auch nur um ein Kapillarrohr handeln.

In der Lüftungs-/Klimatechnik kommen die Direkte und die Indirekte

Kühlung vor.

Fig. 4-10 Anwendungsbeispiele Lüftungstechnik

a Direkte Kühlung b Indirekte Kühlung

1 Verdichter (Kompressor) 5 Kaltwasserpumpe

2 Verdampfer 6 Luftkühler

3 Verflüssiger 7 Ventilator

4 Expansionsventil

Da es sich bei einem Wärmepumpenkreislauf um die genau gleichen

Funktionen, physikalischen Zusammenhänge und Gesetzmässigkeiten

handelt, können wir mit der folgenden Darstellung eine Zusammen-

fassung der Vorgänge machen.

Kondensator

Expansionsventil

Anwendungsbeispiele

122

Fig. 4-11 Funktionsbeispiel einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Als Absorptionsprozess bezeichnet man die Aufnahme von Gasen

durch flüssige oder feste Stoffe in Form einer physikalischen Bindung.

Eine Absorption kommt allerdings nur zustande, wenn der aufnehmen-

de Stoff und das aufzunehmende Gas (Arbeitsstoff-Paar) chemisch

zueinander «passen», und nur bei einem bestimmten Druck-/Tempera-

turverhältnis, das für jedes Arbeitsstoffpaar unterschiedlich ist.

Ein Absorptionsprozess ist auch umkehrbar, d.h. das aufgenommene

Gas kann bei einem anderen Druck-/Temperaturverhältnis wieder aus-

getrieben werden.

Das Ganze lässt sich demnach als Kreisprozess betreiben.

Bei der Absorptionsmaschine wird der mechanische Kompressor durch

den Lösungsmittel-Kreislauf ersetzt, der deshalb auch als «thermoche-

mischer Verdichter» bezeichnet wird. Alle übrigen Funktionselemente

des Kältemittel-Kreislaufes, wie Kondensator, Drossel-/Dosiergerät und

Verdampfer, bleiben grundsätzlich gleich wie bei der Kompressions-

maschine. Anstelle der mechanischen Antriebsenergie, die der Kom-

pressor benötigt, wird die zur Aufrechterhaltung des Absorptions-Kreis-

prozesses benötigte Energie in Form von Wärme zugeführt (Dampf,

Heisswasser, Öl-/Gas-Brenner, etc.). Mechanische Energie wird nur

zum Antrieb der Lösungsmittelpumpe benötigt.

vomHeizungssystem Verflüssiger

zurück zumHeizungssystem

15,5 bar

Expansionsventil

3,3 bar

zurück zumWärmespenderz.B. in denBrunnen zurück

+ 60 °C

+ 2 °CVerdampfer

� = + 5 °C � = + 10 °C

3,3 bar

vom Wärmespenderz.B. aus dem Brunnen

Antrieb durch Motore • Gas • Dieselöl • Benzin • Strom

+ 2 °C

Verdichter

max + 100 °C 15,5 bar

4.3.5 Absorptions-Kreisprozess

123

Fig. 4-12 Absorptions-Prozess

1 Verdampfer 7 Kaltwasserkreislauf

2 Kondensator 8 Energiezufuhr

3 Absorber 9 Kühlwasserkreislauf

4 Austreiber 10 Kältemittelkreislauf

5 Wärmetauscher 11 Lösungsmittelkreislauf

6 Pumpen

Fig. 4-13 Absorptions-Kreisprozess mit Lösungsmittelkreis als «thermischer Verdichter»

1 Thermochemischer Verdichter 4 Verdampfer

2 Verflüssiger (Kondensator) 5 Nutzkreislauf als Wärmepumpe

3 Drossel-/Dosiergerät 6 Nutzkreislauf als Kältemaschine

1

2

3

56

4

.

124

Vergleicht man den Kältemittel-Kreisprozess der Absorptions- mit dem-

jenigen der Kompressions-Kältemaschine, so erkennt man auf den

ersten Blick die vier Funktions-Komponenten:

• Verdampfer (4)

• Verdichter (1)

• Verflüssiger (2)

• Drossel-/Dosiergerät (3)

Es wird auch hier ein reines Kältemittel (z.B. Wasser) im Verdampfer bei

niedrigem Druck und externer Wärmezufuhr verdampft, der Dampf auf

höheren Druck und höhere Temperatur verdichtet, im Kondensator unter

Abgabe der Verdampfungswärme an ein externes Kühlmedium verflüs-

sigt und im Expansionsventil auf Niederdruck entspannt.

Die bekanntesten Arbeitsstoffpaare für Absorptions-Kältemaschinen/

-Wärmepumpen sind:

• Wasser-Lithiumbromid (LiBr) (mit Wasser als Kältemittel)

• Ammoniak-Wasser (mit Ammoniak als Kältemittel)

• Ammoniak-Lithiumnitrat

• Methylamin-Wasser und

• Methanol-Lithiumbromid

mit dem jeweils erstgenannten Stoff als Kältemittel. Während Ammo-

niak als bewährtes Kältemittel vorwiegend für Verdampfungstempera-

turen von 0 °C bis –60 °C eingesetzt wird, kommt für den Klimabereich

heute vorwiegend das Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid zum Einsatz.

Wasser lässt jedoch nur Verdampfungstemperaturen über 0 °C zu, weil

es sonst gefrieren würde.

Ein weiterer, wesentlicher Unterschied zwischen dem Ammoniak-Was-

ser- und dem Wasser- LiBr-Kreisprozess liegt in den Betriebsdrücken

der Systeme. Während die Ammoniak-Maschinen bei Drücken zwi-

schen ca. 1,5 und 16 bar arbeiten, liegen bei Wasser-LiBr-Maschinen die

Betriebsdrücke im Verdampfer und Absorber wesentlich unter dem

Atmosphärendruck, und zwar der Verdampferdruck bei ca. 0.008 bar,

entsprechend einer Verdampfungstemperatur von ca. 3 °C, und der Kon-

densatordruck bei ca. 0.1 bar entsprechend einer Kondensationstempe-

ratur von ca. 50 °C. Diese niedrigeren Drücke erfordern eine sehr dichte

und stabile Ausführung der Maschine.

Die Absorptions-Kältemaschine/-Wärmepumpe arbeitet mit 2 Kreis-

läufen, die zwar phasenweise ineinander laufen, jedoch funktionell ge-

trennt beschrieben werden können.

Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter, Kondensator, Drossel-/Dosier-

gerät und Verdampfer, und andererseits um den Lösungsmittelkreislauf,

der innerhalb dem Kältemittelkreislauf die Rolle des Verdichters über-

nimmt.

4.3.5.1 Arbeitsstoffpaare

125

Der Einsatzbereich der Absorptions-Kältemaschinen/-Wärmepumpen

deckt praktisch den ganzen Bereich der Kolben- und Turbokompressor-

Aggregate ab, d.h. von ca. 30 kW bis über 5000 kW Kälteleistung.

Der Entscheid, ob eine Kompressions- oder eine Absorptionsmaschine

eingesetzt werden soll, hängt weitgehend von der zur Verfügung ste-

henden Betriebsenergie ab. Steht beispielsweise ein Dampf oder

Heisswasserkessel zur Verfügung, der sonst nur im Winter optimal aus-

genützt würde, ist es naheliegend, dessen freie Kapazität im Sommer

zur Kälteerzeugung mit einer Absorptions-Kälteanlage zu koppeln.

Optimal ist der Einsatz einer Absorptionsmaschine dann, wenn Ab-

dampf aus einem Produktionsprozess oder von einer Gegendrucktur-

bine zur Verfügung steht. Ein weiterer, interessanter Einsatz ergibt sich

aus der Kombination mit einerTurbo-Kältemaschine. DerTurbokompres-

sor wird dabei mit einer Gegendruckturbine betrieben. Der Niederdruck-

dampf aus der Gegendruckturbine beheizt anschliessend den Austrei-

ber der Absorptionsmaschine und wird dann als Kondensat wieder dem

Dampfkessel zugeführt.

Direkt mit Öl oder Gas beheizte Absorptionsmaschinen werden meist

als Wärmepumpen gebaut, die im Sommer auf Kühlbetrieb umgestellt

werden können.

Entscheidende Vorteile der Absorptionsmaschine sind schliesslich der

praktisch geräuschlose und vibrationsfreie Betrieb, sowie die einfache

Leistungsregelung von 0 – 100 %.

Nachteilig ist der relativ hohe Energieverbrauch, die hohe Kondensator-

leistung und dadurch ein hoher Kühlwasserverbrauch. Oft können diese

Nachteile aber durch wesentlich niedrigere Energiekosten bei Abwär-

menutzung kompensiert werden.

4.3.5.2 Anwendung

126

Die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) hat zum Ziel, die

Umgebung der Menschen angenehm und behaglich zu gestalten, so

dass sie sich wohl fühlen.

Um diese Aufgabe zu lösen, muss in unserer Klimazone Wärme – aber

auch Kälte – erzeugt werden und diese, richtig dosiert, zur richtigen Zeit

an den richtigen Ort gebracht werden.

Das Ziel der Hydraulik ist es, die dazu erforderlichen Elemente so in

einen Kreislauf zwischen Energieerzeugung und Verbraucher einzubin-

den, dass optimale Betriebsbedingungen geschaffen werden für:

Wärme-/Kälteerzeuger (Temperatur, Wasserfluss)

den Transport des Wärme-/Kälteträgers wie Wasser,

Dampf, … (Temperatur, Wasserfluss)

die eingebauten Regeleinrichtungen

Diese Dokumentation beinhaltet die wichtigsten Informationen aus den

Lernmodulen des Lernprogramms «Hydraulik in der Gebäudetechnik».

Sie ist auch als Begleit- und Referenzdokumentation zum Lernpro-

gramm konzipiert.

Die gezeigten Grafiken stammen grösstenteils aus dem Lernpro-

gramm. Viele davon sind im Lernprogramm animiert und interaktiv, d.h.

Sie können ausprobieren, wie sich Schaltungen und Komponenten

unter verschiedenen Bedingungen verhalten.

Im Lernprogramm «Hydraulik in der Gebäudetechnik» (und in dieser

Dokumentation) erhalten Sie vor allem Informationen zur Hydraulik der

Verbraucherseite.

Dies heisst nun aber nicht, dass die Erzeugerseite nicht wichtig ist –

ganz im Gegenteil. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der

Wärme- und Kälteerzeuger werden hydraulische Überlegungen auch

dort immer wichtiger. Es würde aber den Rahmen des Lernprogramms

sprengen, dies auch noch im Detail zu behandeln. Viele Erkenntnisse

aus der Verbraucherseite werden Sie jedoch sinngemäss auch für die

Erzeugerseite anwenden können.

Haben Sie Interesse am Lernprogramm B04HV «Hydraulik in der

Gebäudetechnik», dann kontaktieren Sie bitte Ihren Siemens Building

Automation Ansprechpartner.

Für den Bezug des Selbstlernprogramms wenden Sie sich bitte an Ihren

lokalen Ansprechpartner (Verkauf oder Training) von Siemens Building

Technologies.

Hydraulik in der Gebäudetechnik

Theorie +Training

Test

Einführung

Hydraulische Kreise

Hydraulische Kennlinien

Eigenschaften von Ventilen & Antrieben

Spezielle Probleme

Dimensionierung von Stellgeräten

Störungsbehebung

Hydraulische Kreise

Hydraulische Kennlinien

Eigenschaften von Ventilen & Antrieben

Spezielle Probleme

Dimensionierung

Störungsbehebung

Info Lexikon Symbole Schaltungen

Bitte wählen Sie ein Modul.

5.1 Einleitung

Lernprogramm auf

CD-ROM bestellen

5. Hydraulische Schaltungen

127

Fig. 5-1 Hauptteile einer hydraulischen Anlage

Ventil geschlossen Ventil offen

Fig. 5-2 Zirkulation in einer hydraulischen Anlage

Regler (mitFühler)

Stellantrieb

Stellglied(Dreiweg-ventil)

Heizkessel(Wärmeer-zeugung)

Heizkörper(Wärmeabgabe)

Umwälzpumpe

Vorlauf

Abgleichdrossel

Rücklauf

5.2 Hydraulische Kreise

5.2.1 Hauptteile

einer hydraulischen Anlage

128

Die bisher gezeigten bildlichen Darstellungen einer hydraulischen

Anlage sind für viele Personen sehr gut nachvollziehbar, in Fachkreisen

aber nicht üblich, da sich damit die anlagetechnischen Zusammenhänge

nicht sehr gut darstellen lassen.

In der HLK-Branche werden deshalb vor allem schematische Darstel-

lungen verwendet, die nebst der Darstellung der Anlage erlauben, die

technischen Vorgänge und Zusammenhänge besser nachzuvollziehen.

Bildliche Darstellung einer Anlage Schematische Darstellung einer Anlage

Fig. 5-3 Von der bildlichen zur schematischen Darstellung

Die oben gezeigte schematische Darstellung wird oft für einfache Anla-

gen verwendet. Sie wird geographische Darstellung genannt und weist

einen engen Bezug zur konstruktiven Lösung auf.

Für grössere Anlagen wird die geographische Darstellung bald einmal

unübersichtlich, vor allem wenn komplexe Zusammenhänge der Ver-

braucher oder Erzeuger dargestellt werden müssen; z.B. eine Grund-

wasser-Wärmepumpe mit Speicher und zusätzlichem Heizkessel, die

mehrere verteilte Verbraucherstationen bedient.

Fig. 5-4 Beispiel einer Heizungsanlage mit mehreren Verbrauchern in geographischer

Darstellung

Aus diesen Überlegungen und auch durch den verbreiteten Einsatz

von CAD-Systemen kommt heute meist eine andere, strukturiertere

Darstellungsweise zur Anwendung.

Wärmeerzeuger Rücklauf

Abgleich-drossel

Wärmeabgabe(Verbraucher)

Vorlauf

Umwälzpumpe

Stellglied

5.2.2 Darstellung hydraulischer Kreise

Geographische Darstellung

129

Die synoptische Darstellung erlaubt auch die schematische Darstellung

von sehr komplexen und umfangreichen hydraulischen Anlagen in einer

klar strukturierten und übersichtlichen Art und Weise.

Bei der synoptischen Darstellung sind einige wichtige Regeln zu beach-

ten:

Der Vorlauf wird oben gezeichnet, der Rücklauf wird unten gezeichnet.

Man nennt dies oft auch die Versorgungsschiene.

Erzeuger und Verbraucher werden parallel in Flussrichtung zwischen

Vorlauf und Rücklauf eingezeichnet.

Geographische Darstellung Synoptische Darstellung

Fig. 5-5 Geographische und synoptische Darstellung einer einfachen Anlage

Bei der schematischen Darstellung von hydraulischen Schaltungen ist

es auch wichtig, dass gewisse Komponenten symbolisch korrekt darge-

stellt werden.

Ein Element, bei dem dies besonders wichtig ist, ist das Dreiweg-Stell-

glied (Ventil oder Hahn).

Die beiden Tore mit variablem Durchfluss werden ausgefüllt gezeichnet,

das Tor mit konstantem Durchfluss unausgefüllt.

Fig. 5-6 Schematische Darstellung von Ventil- Toren:

ausgefüllt = variabler Durchfluss

unausgefüllt = konstanter Durchfluss

Vorlauf

Flussrichtung

VerbraucherErzeuger

Rücklauf

Synoptische Darstellung

Hinweis zur Darstellung

von Stellgliedern

130

In vielen der schematischen Darstellungen im Lernprogramm «Hydrau-

lik in der Gebäudetechnik» und in diesen Unterlagen sind Stellglieder

ohne Antrieb dargestellt. Dies vor allem um die Übersichtlichkeit der

Zeichnungen zu verbessern. Zudem wird als Stellglied immer ein Ventil

angenommen.

Beispiele geographischer und synoptischer Darstellungen:

Geographische Darstellung Synoptische Darstellung

Fig. 5-7 Darstellungsbeispiele

131

In der Praxis sind es meist mehrere Verbraucher, die von einem Erzeu-

ger versorgt werden. Der Verteiler wird als Bindeglied zwischen der

Erzeugerseite und mehreren Verbrauchern eingebaut. Er verteilt das

Wasser im Vorlaufverteiler auf die verschiedenen Verbraucher und sam-

melt im Rücklaufsammler das Wasser aller Verbraucher.

Fig. 5-8 Verteiler als Bindeglied zwischen Erzeuger- und Verbraucherseite

Die Verbraucher- und die Erzeugerseite stellen gewisse Anforderungen

an den Verteiler, z.B. Druckverhältnisse, konstanter oder variabler Durch-

fluss, notwendige Vor- und Rücklauftemperaturen, … .

Um all diese Bedingungen zu erfüllen, braucht es verschiedene Vertei-

lertypen.

Verteiler können wie folgt eingeteilt werden:

Fig. 5-9 Einteilung der Verteilertypen

Der Verteiler kann nicht für sich alleine betrachtet werden. Es ist wich-

tig, dass die zum Verteilertyp passenden Verbraucherschaltungen einge-

setzt werden. Dabei ist zu beachten, dass Verbraucherschaltungen mit

gleichem (oder ähnlichem) Verhalten eingesetzt werden.

V E R T E I L E R

Hauptpumpe ohne Hauptpumpe mit Hauptpumpe

(Typ 1)

Druckverhältnisse druckbehaftet drucklos

am Verteiler (Typ 4)

Volumenstrom variabel variabel konstant konstant

über Erzeuger (Typ 2) (Typ 3)

Rücklauftemperatur tief hoch

zum Erzeuger

5.3 Verteiler

5.3.1 Verteilertypen

132

Ventil geschlossen Ventil offen

Fig. 5-10 VerteilerTyp 1, Ventilstellung der Verbrauchergruppen

• Rücklauftemperatur tief (zwischen kalt und Verbraucher-Rücklauf)

• Volumenstrom variabel über Erzeuger, konstant über Verbraucher

• starke gegenseitige Beeinflussung der Verbrauchergruppen

(d.h. jede grössere Veränderung in einer Gruppe führt zu Druck-

veränderungen am Verteiler deren Auswirkungen auf die anderen

Gruppen von diesen ausgeregelt werden müssen)

• Gefahr von Fehlzirkulation, wenn z.B. Brauchwasserladung am

Verteilerende

• Gruppenpumpen müssen anteilsmässig den Druckverlust im

Erzeugerkreis übernehmen

• keine Erzeuger, die minimalen Durchfluss benötigen

• max. Druckverlust im Erzeugerkreis < 20 % des niedrigsten

Gruppenpumpen-Förderdrucks ’ Leitungen kurz und grosszügig

dimensioniert

• Stellglieder der Verbrauchergruppen korrekt dimensioniert

• Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf bei den Gruppen

eingehalten (d.h. Abgleichdrossel richtig eingestellt)

• Erzeuger, die tiefe Rücklauftemperatur erfordern (z.B. kondensieren-

der Heizkessel)

• Speicher

5.3.1.1 Verteiler ohne Hauptpumpe

(Typ 1), für Verbrauchergruppen

in Beimischschaltung

Eigenschaften:

Wichtig für problemlosen Einsatz:

Einsatzgebiet:

133

Ventil geschlossen Ventil offen

Fig. 5-11 VerteilerTyp 2, Ventilstellung der Verbrauchergruppen

• Rücklauftemperatur tief (Verbraucher-Rücklauf)

• Volumenstrom variabel über Erzeuger

• Stellglieder der Verbrauchergruppen korrekt dimensioniert

• Hauptpumpe drehzahlgeregelt (reduziert Energieverbrauch; «AUS»

bei Nullast, damit diese nicht Schaden nimmt)

oder

einstellbarer Bypass (am Verteileranfang) für minimale Zirkulation

(Nachteil: hebt Rücklauftemperatur wieder an)

• Boilerladungen

• Zubringer in Fernleitungsnetz (z.B. Nahwärmeverbund)

Ventil geschlossen Ventil offen

Fig. 5-12 VerteilerTyp 3, Ventilstellung der Verbrauchergruppen

• Rücklauftemperatur hoch (zwischen Verbraucher-Rücklauf und

annähernd Erzeuger-Vorlauf)

• Volumenstrom konstant über Erzeuger

• Hauptpumpe muss beim Einsatz von Verteilschaltungen

(Umlenkschaltungen) auch den Druckverlust über den Verbraucher

übernehmen

• hydraulischer Abgleich ist anspruchsvoll

• spätere Erweiterung macht erneuten hydraulischen Abgleich

erforderlich

5.3.1.2 Verteiler mit Hauptpumpe

(Typ 2), für Verbrauchergruppen

in Drosselschaltung oder Einspritz-

schaltung mit Durchgangsventil

Eigenschaften:

Wichtig für problemlosen Einsatz:

Einsatzgebiet:

5.3.1.3 Verteiler mit Hauptpumpe

(Typ 3), für Verbrauchergruppen

in Verteilschaltung oder

Einspritzschaltung mit Dreiwegventil

Eigenschaften:

134

• Stellglieder der Verbrauchergruppen korrekt dimensioniert

• nur empfehlenswert, wenn bezüglich Pumpenleistung bedeutende

Verbraucher ohne Gruppenpumpe (d.h. mit Umlenkschaltung)

betrieben werden können

• bei Einspritzschaltung Abstand A min. 0.4 m oder 10 x Leitungs-

durchmesser (’genügend Platz), sonst Gefahr von schleichender Zir-

kulation

• Erzeuger muss für hohe Rücklauftemperaturen geeignet sein

• Erzeuger mit Rücklaufminimalbegrenzung

Ventil geschlossen Ventil offen

Fig. 5-13 VerteilerTyp 4, Ventilstellung der Verbrauchergruppen

• Rücklauftemperatur hoch (zwischen Verbraucher-Rücklauf und

Erzeuger-Vorlauf)

• Volumenstrom konstant über Erzeuger

• klare hydraulische Entkopplung zwischen Erzeuger- und Verbraucher-

seite

• benötigt Abgleichdrosseln nur in Verbraucherkreisen

(zum Einstellen des Nennvolumenstroms)

• Verteiler und vor allem Kurzschluss grosszügig dimensionieren

• Verbrauchergruppen mit konstantem oder ganzjährigem Heizbedarf

sind am Verteileranfang anzuschliessen. Eine unnötige Durchströ-

mung des Verteilers wird damit weitgehend vermieden.

• Verteiler kann mit Drosselschaltung(en) kombiniert werden, deren

Leistung(en) aber klein sind im Verhältnis zur Leistung am gesamten

Verteiler

• Erzeuger, die eine hohe Rücklauftemperatur erfordern

Wichtig für problemlosen Einsatz:

Einsatzgebiet:

5.3.1.4 Verteiler mit Hauptpumpe

(Typ 4), für druckdifferenzlosen

Verbraucheranschluss

in Beimischschaltung

Eigenschaften:

Wichtig für problemlosen Einsatz:

Einsatzgebiet:

135

Man unterscheidet, wie schon bei den Verbraucher-Schaltungen, zwei

schematische Darstellungsweisen – die synoptische und die geographi-

sche Darstellung.

• Oben Vorlauf, heisses Wasser

• Unten Rücklauf, kaltes Wasser

• dazwischen Erzeuger und die einzelnen Verbraucher parallel in

Flussrichtung geschaltet

Fig. 5-14 Synoptische Darstellung von Verteilern

Praktiker und Planer bevorzugen eher die geographische Darstellung,

die den Aufbau der Anlage etwa so darstellt, wie sie im Heizungsraum

auch installiert wird.

Vom Erzeuger wird der Vor- und Rücklauf auf einen Verteilbalken

geführt, auf dem die einzelnen Verbraucherschaltungen senkrecht

nebeneinander aufgebaut sind.

Fig. 5-15 Geographische Darstellung von Verteilern

5.3.1.5 Schematische Darstellung

von Verteilern

Synoptische Darstellung

Geographische Darstellung

136

Die Leistung (Wärme-/Kältemenge) an einem Erzeuger oder Verbraucher

ist proportional zum Produkt aus Massenstrom und Temperaturdifferenz

über dem Erzeuger oder Verbraucher.

Q.

= V.

* ΔT * c * �

Für unsere Überlegungen und für übliche Anwendungen in der Haus-

technik nehmen wir die Dichte � und die spezifische Wärmekapazität c

als konstant an. Damit ist die Leistung an einem Erzeuger oder Verbrau-

cher proportional zum Produkt aus Volumenstrom und Temperaturdiffe-

renz.

Q.

≈ V.

* ΔT

Bei hydraulischen Schaltungen können folglich folgende Grössen zur

Anpassung der Leistung herangezogen werden:

Zur Durchflussregelung (mengenvariabel) und zur Mischregelung (men-

genkonstant) gibt es jeweils zwei hydraulische Grundschaltungen.

Bei der Durchflussregelung (mengenvariable Kreise) sind dies:

Drosselschaltung

Umlenkschaltung

Drosselschaltung Umlenkschaltung

Fig. 5-16 Durchflussregelung

Beide verändern die Leistung durch unterschiedlichen Volumenstrom im

Wärmeverbraucher.

Bei der Mischregelung (mengenkonstante Kreise) sind dies:

Beimischschaltung

Einspritzschaltung (mit Dreiweg- oder Durchgangsventil)

Beimischschaltung Einspritzschaltung (mit Dreiwegventil)

Fig. 5-17 Mischregelung

Beide verändern die Leistung durch unterschiedliche Eintrittstemperatur

in den Wärmeverbraucher.

Volumenstrom wird verändert Temperatur wird verändertbei konstanterTemperatur bei konstantem Volumenstrom

’mengenvariabler Betrieb ’mengenkonstanter Betrieb

’Durchflussregelung ’Mischregelung

5.4 Hydraulische Grundschaltungen

5.4.1 Mengenvariable

und mengenkonstante Kreise

5.4.2 Durchfluss- und Mischregelung

Funktionsweise

Mischregelung

137

Wird das Ventil verstellt, beeinflusst dies den Volumenstrom sowohl im

Erzeuger- wie im Verbraucherteil. Überall ergeben sich starke Schwan-

kungen der Druckverhältnisse.

Ventil geschlossen Ventil voll offen

Fig. 5-18 Drosselschaltung

• tiefe Rücklauftemperatur im Teillastbetrieb

• variabler Volumenstrom in der ganzen Anlage

• beim Anfahren zeitliche Verzögerung der Eintrittstemperatur in den

Wärmeverbraucher (Totzeit – je nach Länge und Abkühlung der

Rohre)

• bei geschlossenem Ventil kann die Pumpe überhitzen

(’Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen)

• Lufterwärmer ohne Einfriergefahr

• Luftkühler mit Entfeuchtung

• Boilerladung

• Fernheizungsanschluss (direkt oder mit Wärmeübertrager)

• Speicherladung und Speicherentladung

• Anlagen mit Kondensationskessel

Geographische Darstellung Synoptische Darstellung

Fig. 5-19 Darstellungsarten der Drosselschaltung

5.4.3 Drosselschaltung

Funktionsweise

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

Darstellungsarten

138

Der heisse Kesselvorlauf wird je nach Ventilstellung zwischen Wärme-

verbraucher und Bypass verteilt. Die Leistung im Wärmeverbraucher

wird über den Durchfluss gesteuert. DerTemperaturabfall am Wärme-

verbraucher steigt mit sinkendem Durchfluss.

Bei geschlossenem Ventil erreicht der Kesselrücklauf annähernd die

Temperatur des Kesselvorlaufs.

Ventil geschlossen Ventil voll offen

Fig. 5-20 Umlenkschaltung

• variabler Durchfluss im Verbraucherkreis

• konstanter Durchfluss und Druck im Erzeugerkreis

(vorteilhaft bei Anlagen mit mehreren Gruppen)

• mittlere bis hohe Temperatur im Erzeugerrücklauf

• beim Anfahren Vorlauftemperatur vom Erzeuger mit wenig Ver-

zögerung am Wärmeverbraucher (sofern das Stellglied genügend

nahe beim Verbraucher ist)

• Luftkühler mit Entfeuchtung

• Lufterwärmer ohne Einfriergefahr

• Wärmerückgewinnungssysteme

• Brauchwassererwärmung

• nicht geeignet für Anlagen mit Fernwärmeversorgung (hohe Rück-

lauftemperatur)

Geographische Darstellung Synoptische Darstellung

Fig. 5-21 Darstellungsarten der Umlenkschaltung

5.4.4 Umlenkschaltung

Funktionsweise

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

Darstellungsarten

139

Ein Dreiweg-Stellglied unterteilt die ganze Schaltung in Primär- oder

Erzeugerkreis und Sekundär- oder Verbraucherkreis. Heisses Erzeuger-

wasser und abgekühltes Rücklaufwasser werden gemischt, um die

gewünschte Vorlauftemperatur in den Verbraucher zu steuern und damit

dessen Leistung zu bestimmen.

Ventil geschlossen Ventil voll offen

Fig. 5-22 Beimischschaltung

• tiefe Rücklauftemperatur bei kleiner Last

• variabler Volumenstrom im Erzeugerkreis

• konstanter Volumenstrom mit variablerTemperatur im Verbraucher-

kreis

• gleichmässige Temperaturverteilung über dem Wärmeverbraucher

• geringe Einfriergefahr bei Lufterwärmern

Die Schaltung ist nicht geeignet für Anlagen mit Distanzen über 20 m

zwischen Bypass und Regel-Fühler: Die lange Transportzeit (= Totzeit)

erschwert die Regelaufgabe wesentlich.

• Regelung von Heizkörper-Heizungen

• Lufterwärmer mit Einfriergefahr

• Anlagen mit Niedertemperatur-Wärmeerzeugern oder -Wärme-

pumpen

Geographische Darstellung Synoptische Darstellung

Fig. 5-23 Darstellungsarten der Beimischschaltung

5.4.5 Beimischschaltung

Funktionsweise

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

Darstellungsarten

140

Ein Dreiweg-Stellglied unterteilt auch hier die ganze Schaltung in Primär-

oder Erzeugerkreis und Sekundär- oder Verbraucherkreis. Zusätzlich wird

durch die feste Vormischung immer ein bestimmter Anteil abgekühltes

Rücklaufwasser dem Vorlauf beigemischt. Dies ist dann sinnvoll, wenn

die gewünschte Vorlauftemperatur zum Verbraucher im Auslegezustand

um einiges tiefer liegt, als die vom Erzeuger angelieferte Vorlauftempe-

ratur. So wird erreicht, dass das Dreiweg-Stellglied über den gesamten

Stellbereich (zu … voll offen) arbeitet.

Ventil geschlossen Ventil voll offen

Fig. 5-24 Beimischschaltung mit fester Vormischung

• tiefe Rücklauftemperatur bei kleiner Last

• variabler Volumenstrom im Erzeugerkreis

• konstanter Volumenstrom mit variablerTemperatur im Verbraucher-

kreis

Die Schaltung ist nicht geeignet für Anlagen mit Distanzen über 20 m

zwischen Bypass und Regel-Fühler: Die lange Transportzeit (= Totzeit)

erschwert die Regelaufgabe wesentlich.

• Verbraucherkreise, mit tieferer Vorlauftemperatur als der Erzeuger-

vorlauf

• Regelung von Fussbodenheizungen und Heizkörper-Heizungen

Anlagen mit Niedertemperatur-Wärmeerzeugern oder Wärme-

pumpen

Geographische Darstellung Synoptische Darstellung

Fig. 5-25 Darstellungsarten der Beimischschaltung mit fester Vormischung

5.4.5.1 Beimischschaltung

mit fester Vormischung

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

Darstellungsarten

141

Die Pumpe links sorgt für den Druck im Erzeugerkreis, inklusive dem

Druckabfall über dem Stellglied. Die Pumpe rechts sorgt für den Druck

im Verbraucherkreis.

Die Erzeugerpumpe spritzt je nach Stellung des Dreiwegventils mehr

oder weniger heisses Vorlaufwasser in den Verbraucherkreis ein. Dieses

wird mit abgekühltem Verbraucher-Rücklaufwasser gemischt, welches

von der Verbraucherpumpe über den Bypass angesaugt wird. Im Ver-

braucherkreis erhält man einen konstanten Volumenstrom mit variabler

Temperatur.

Ventil geschlossen Ventil voll offen

Fig. 5-26 Einspritzschaltung mit Dreiwegventil

• konstanter Durchfluss, sowohl im Erzeugerkreis wie auch im Ver-

braucherkreis

• relativ hohe Rücklauftemperatur (entspricht bei Last = 0% dem

Erzeuger-Vorlauf und bei Last = 100% dem Verbraucher-Rücklauf)

• gleichmässige Temperaturverteilung über dem Wärmeverbraucher

• geringe Einfriergefahr bei Lufterwärmern

• Radiator- und Fussboden-Heizungen

• Lufterwärmer mit Einfriergefahr

• Luftkühler ohne geregelte Entfeuchtung

• Boilerladung

• nicht geeignet für Anlagen mit Fernwärmeversorgung

(hohe Rücklauftemperatur)

Geographische Darstellung Synoptische Darstellung

Fig. 5-27 Darstellungsarten der Einspritzschaltung mit Dreiwegventil

5.4.6 Einspritzschaltung

5.4.6.1 Einspritzschaltung

mit Dreiwegventil

Funktionsweise

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

Darstellungsarten

142

Durch die Pumpe im Erzeugerkreis wird – je nach Stellung des Durch-

gangsventils – mehr oder weniger heisses Vorlaufwasser in den Ver-

braucherkreis eingespritzt.

Durch diese Schaltung erhält man im Verbraucherkreis einen konstanten

Volumenstrom mit variablerTemperatur.

Im Erzeugerkreis hingegen ergeben sich grosse Änderungen von

Volumenstrom und Druck, was bei Anlagen mit mehreren Gruppen

berücksichtigt werden muss.

Ventil geschlossen Ventil voll offen

Fig. 5-28 Einspritzschaltung mit Durchgangsventil

• relativ tiefe Rücklauftemperatur

(kalt … Verbraucher-Rücklauftemperatur bei 100 % Last)

• gleichmässige Temperaturverteilung über dem Wärmeverbraucher

• geringe Einfriergefahr bei Lufterwärmern

• bei geschlossenem Ventil kann die Pumpe im Erzeugerkreis über-

hitzen (’Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen)

• Wärmespeicher und Wärmepumpen

• Niedertemperatur-Kesselanlagen (Brennwert-Kessel, kondensieren-

de Kessel)

• direkte Fernheizungsanschlüsse

• nicht geeignet für Luftkühler mit Entfeuchtungsregelung

Geographische Darstellung Synoptische Darstellung

Fig. 5-29 Darstellungsarten der Einspritzschaltung mit Durchgangsventil

5.4.6.2 Einspritzschaltung

mit Durchgangsventil

Funktionsweise

Eigenschaften:

Einsatzgebiet:

Darstellungsarten

143

Der kV-Wert eines Ventils ändert sich je nach Ventilstellung (Hub).

Er spezifiziert den Durchfluss bei einer konstanten Druckdifferenz von

1 bar über dem Regeltor.

Der kV-Wert, der sich bei voll geöffnetem Ventil ergibt (also bei Nennhub

H100), heisst kVS-Wert.

Die Hersteller von Ventilen und Drosselorganen geben diese konstruk-

tionsabhängige Grösse kVS für jedes Stellglied an.

Um verschiedene Fabrikate und Typen vergleichen zu können, werden

Ventile einheitlich spezifiziert:

• kV-Werte relativ zum kVS-Wert: kV / kVS = 0…1

• Hub H relativ zum Nennhub H100: H / H100 = 0…1

Wird kV / kVS über den Hubbereich 0…1 dargestellt, so nennt man dies

die Ventilkennlinie (auch Ventil-Grundkennlinie).

Fig. 5-30 Typische Ventilkennlinie

Man unterscheidet zwischen:

Kennlinien-Grundform

• mathematisch berechnet, also theoretisch

• Grundkennlinie

Durchfluss unter Normbedingungen (1 bar, 25 °C), gemessen für

jede Ventilstellung

Die gebräuchlichsten Kennlinien-Grundformen sind nachfolgend kurz

beschrieben:

Gleiche Änderung des Hubes führt zu gleicher Änderung des

kV-Wertes.

Eine gleiche Hubänderung ergibt eine prozentual gleich grosse Ände-

rung des jeweiligen kV-Wertes, d.h. je grösser der Hub (je offener das

Ventil), desto stärker wirkt sich die Hubänderung auf den Durchfluss

aus. Im unteren Hubbereich ist die Kennlinie noch flach, nach oben wird

sie immer steiler.

Kennlinien-Grundform, die im unteren Hubbereich linear ist und ab ca.

30 % des Hubs gleichprozentig wird.

Die Kennlinie-Grundform ist Basis für die Konstruktion des Ventilkegels,

der dann die Grundkennlinie des Ventils bestimmt.

kv / kvs

H/H100

1,0

1,000

5.5 kV-Werte

kV-Wert: Durchfluss-Kennwert

bei bestimmtem Hub

kVS-Wert: Durchfluss-Kennwert

bei offenem Ventil

5.6 Ventil-Kennlinien

linear

gleichprozentig

gleichprozentig/linear

144

linear gleichprozentig gleichprozentig-linear

Fig. 5-31 Ventilkennlinien im Vergleich

Wird ein Ventil in eine Anlage eingebaut, so sollte die Ventilkennlinie die

Wärmeübertrager-Kennlinie kompensieren. Die daraus resultierende

Leistungsabgabe am Wärmeübertrager kann wiederum als Graph dar-

gestellt werden – die Streckenkennlinie (auch Regelkennlinie genannt).

Die beiden Grafiken zeigen, dass man durch die geschickte Wahl der

Ventil-Kennlinie dem Ziel näher kommt, aber ein lineares Verhalten zwi-

schen Hub und Leistung kann damit allein noch nicht erreicht werden.

Fig. 5-32 Streckenkennlinie aus Wärmeübertrager-Kennlinie und Ventil mit linearer

Grundkennlinie

Wärmeübertrager-Kennlinie

Grundkennlinie linear Resultierende Streckenkennlinie

Q/Q100. .

Q/Q100. .

V/V100. .

V/V100. .

H/H100 H/H100

kv/kvs kv/kvs kv/kvs

H/H100 H/H100 H/H100

5.7 Streckenkennlinie

145

Fig. 5-33 Streckenkennlinie aus Wärmeübertrager-Kennlinie und Ventil mit gleich-

prozentiger Grundkennlinie

Wärmeübertrager-Kennlinie

Grundkennlinie gleichprozentig Resultierende Streckenkennlinie

Q/Q100. .

Q/Q100. .

V/V100. .

V/V100. .

H/H100 H/H100

146

Anlage ohne oder mit nur einer thermodynamischen Funktion

(z.B. Heizen)

Anlage mit welcher entweder die Raumlufttemperatur oder die Raum-

luftfeuchte, bei jedem Lastzustand, auf einem gewünschten Wert

gehalten wird (Heizen/Kühlen oder Befeuchten/Entfeuchten). Kann z.B.

nur die Temperatur durch Heizen/Kühlen auf einem gewünschten Wert

gehalten und diese zusätzlich befeuchtet (aber nicht entfeuchtet) wer-

den, dann handelt es sich definitionsgemäss noch um eine Teilklimaan-

lage.

Anlage mit welcher sowohl die Raumlufttemperatur wie auch die Raum-

luftfeuchte, bei jedem Lastzustand, auf einem gewünschten Wert

gehalten wird (Heizen/Kühlen und Befeuchten/Entfeuchten).

Niedergeschwindigkeitsanlage mit Strömungsgeschwindigkeiten in den

Kanälen < 10 m/s (Ältere Bezeichnung: Niederdruck-Anlage). Meist

Industrieanlagen mit grossen Luftmengen und relativ kurzen Distanzen.

Luftauslässe können direkt in die Kanäle eingesetzt werden.

Hochgeschwindigkeitsanlage mit Strömungsgeschwindigkeiten in den

Zuluftkanälen > 10 m/s (Ältere Bezeichnung: Hochdruckanlage). Meist

Komfortklimaanlagen mit weniger grossen Luftmengen und relativ lan-

gen Distanzen. Luftauslässe können nicht direkt in die Kanäle einge-

setzt werden, da die Luftgeschwindigkeit vorher von Hoch- auf Nieder-

geschwindigkeit reduziert werden muss (Entspannung).

Luft, die aus dem Freien angesaugt wird.

Luft, die aus der Anlage in den Raum geblasen wird.

Luft im belüfteten oder klimatisierten Raum.

Luft, die aus dem Raum abgeführt wird.

Abluft, die in die Luftaufbereitungsanlage zurückgeführt wird.

Abluft, die ins Freie geblasen wird.

In der Siemens Dokumentation CM1Z011de «Grafische Symbole» sind

die Symbole einzelner Geräte und weitere Informationen aufgeführt.

6.1 Begriffs-Erklärungen (nach DIN 1946)

Lüftungsanlage

Teilklimaanlage

Vollklimaanlage

NG-Anlage

HG-Anlage

Aussenluft (AU)

Zuluft (ZU)

Raumluft (RA)

Abluft (AB)

Umluft (UM)

Fortluft (FO)

6. Lüftungs-/Klimaanlagen

147

In diesem Abschnitt werden die wichtigsten lufttechnischen Anlagen-

elemente beschrieben. Es handelt sich dabei nur um eine kurze Über-

sicht, ohne detaillierte Angaben über die Dimensionierung und die spe-

zifischen Einsatzkriterien. Kenntnisse zur deren Verwendung im

Zusammenhang mit Steuer- und Regelfunktionen werden im Trainings-

modul «Regeln und Steuern von Lüftungsanlagen» vermittelt.

Fig. 6-1 Prinzipschema einer Klimaanlage mit typischen Anlageelementen

Wetterschutzgitter für Aussenluft und Fortluft verhindern Eintritt von

Regen und Kleintieren (Mäuse, Vögel, …) in Luftkanäle. Oft werden

diese auch formschön ausgeführt, als Teil der Gebäudefassade. An

gewissen Standorten oder Lagen ist es notwendig, die Wetterschutz-

gitter zu beheizen, da diese sonst in kurzer Zeit zufrieren können.

Fig. 6-2 Wetterschutzgitter

Aufgrund der Aufgabe unterscheidet man zwischen

• Absperrklappen

• Drosselklappen

Absperrklappen schliessen durch Stellmotor den Kanalquerschnitt,

wenn die Anlage ausgeschaltet wird oder aber auch in einem War-

tungs-, Reparatur- oder Störfall. Je nach Anforderung müssen diese

auch luftdicht oder sogar gasdicht ausgeführt sein.

Bei Drosselklappen ist zu beachten, dass eine gute Drosselwirkung nur

dann eintritt, wenn der Widersand der geöffneten Klappe einen gewis-

sen Teil des Gesamtwiderstandes im Kanalsystem ausmacht.

6.2 Lufttechnische Anlagenelemente

Abgrenzung

6.2.1 Wetterschutzgitter

6.2.2 Luftklappen

Aufgabe

148

Klappen gibt es in runder und rechteckiger Ausführung. In runden Kanä-

len bestehen normale Drossel- oder Absperrklappen aus einem runden

Klappenblatt, das auf einer Drehachse mit rundem oder quadratischem

Querschnitt montiert ist (Fig. 6-3).

Fig. 6-3 Drosselklappe im runden Luftkanal

Rechteckige Klappen (sog. Jalousieklappen) bestehen meist aus meh-

reren Lamellen, die entweder gleichlaufend oder gegenläufig auf/zu

bewegt werden können (Fig. 6-4). Je nach den regeltechnischen Anfor-

derungen können beide Varianten als Drosselklappen eingesetzt wer-

den. Als Absperrklappe wird praktisch nur die preisgünstigere gleichlau-

fende Klappe verwendet.

Fig. 6-4 Jalousieklappen: links gegenläufig, rechts gleichlaufend drehend

Sicherheits- und Brandschutzklappen für das rasche und dichte

Schliessen der Luftkanäle im Gefahrenfall.

Luftfilter sind Geräte und Komponenten der Luftaufbereitung, mit

denen teilchen- und gasförmige Verunreinigungen aus der Luft gefiltert

und abgeschieden werden.

Die natürliche Luft weist Verunreinigungen auf in der Konzentration

zwischen 0,05 und 3,0 mg/m3; industriell werden Luftfilter wirtschaftlich

eingesetzt für Konzentrationen bis ca. 20 mg/m3.

Fig. 6-5 Typisches Filter für Lüftungs- und Klimaanlagen

Bauarten

Spezielle Bauarten

6.2.3 Luftfilter

Aufgabe

149

Luftfilter werden, aufbauend auf den Prüfmethoden gemäss DIN 24185

und DIN 24184 in die folgenden drei Hauptgruppen eingeteilt:

• Grossstaubfilter (auch Grobstaubfilter)

mit Filterklassen G…G4

• Feinstaub-Filter

mit Filterklassen F5…F9

• Schwebstoff-Filter

mit Filterklassen EU10…EU12

Auf Grund der ständig steigenden Anforderungen in Reinräumen

wurden inzwischen weitere Klassen für Schwebstoff-Filter geschaffen

(EU13…EU17), die höchsten Anforderungen gerecht werden.

Der Abscheidegrad und der Wirkungsgrad hängen fast ausschliesslich

vom Filtermedium ab, während die Staubspeicherfähigkeit vom Filter-

medium und von der Filterfläche beeinflusst wird.

Filter der Klassen EU 10 bis EU 14 werden auch als HEPA-Filter (High

Efficiency Particulate Air; H10 bis H14) bezeichnet. Filter der Klassen

EU15 bis EU17 werden auch als ULPA-Filter (Ultra Low Penetration Air-

filter; U15 bis U17) bezeichnet.

Fig. 6-6 Luftfilter-Klasseneinteilung (nach DIN EN 779, Quelle: Recknagel)

Filter- Abscheide- Durchlass Alte Bezeichnungklasse grad % % Bezeichnung

G 1 < 65 EU 1/A

G 2 65…80 EU 2/B1 Grossstaub-

G 3 80…90 EU 3/B2 Filter

G 4 > 90 EU 4/B2

F 5 – EU 5

F 6 – EU 6 Feinstaub-

F 7 – EU 7 Filter

F 8 – EU 8

F 9 – EU 9

EU 10 85 15 Q

EU 11 95 5 R

EU 12 99,5 0,5 S

EU 13 99,95 0,05 S Schwebstoff-

EU 14 99,995 0,005 ST Filter

EU 15 99,9995 0,0005 T

EU 16 99,99995 0,00005 U

EU 17 99,999995 0,000005 V

6.2.3.1 Einteilung nach Filterklassen

HEPA- und ULPA-Filter

150

Die typischen Druckdifferenzen bei neuen Luftfiltern liegen bei

– Grossstaub-Filtern im Bereich von 30…50 Pa

– Feinstaub-Filtern im Bereich von 50…150 Pa

– Schwebstoff-Filtern im Bereich von 100…250 Pa

Die Filter werden üblicherweise mit einer Geschwindigkeit von 2–3 m/s

angeströmt (bezogen auf die Ansichtsfläche des Filters).

Die empfohlenen (und erreichbaren) End-Druckdifferenzen liegen für

– Grossstaub-Filtern im Bereich von 200…300 Pa

– Feinstaub-Filtern im Bereich von 300…500 Pa

– Schwebstoff-Filtern im Bereich von 1000…1500 Pa

Im Betrieb steigt die Druckdifferenz im Filter durch Einlagerung von

Staub an. Bei Grossstaub-Filtern erfolgt dieser Anstieg etwa quadra-

tisch, bei Schwebstoff-Filtern etwa linear.

Der unterschiedliche Verlauf des Druckanstiegs lässt Variationen bei der

Auslegung von Filteranlagen zu. Dabei werden die Einflussfaktoren

Investitionskosten, Energiekosten, Betriebs- und Unterhaltskosten – je

nach Anlagesituation – unterschiedlich gewichtet.

Bei normalen Betriebsbedingungen (d.h. Nennvolumenstrom, normale

Staubkonzentration, 8 h/Tag) kann ein Filter etwa für die folgende

Betriebsdauer eingesetzt werden:

– Grossstaub-Filter 1⁄4 … 1⁄2 Jahr

– Feinstaub-Filter 1⁄2 … 3⁄4 Jahr (mit vorgeschaltetem

Grossstaub-Filter)

– Schwebstoff-Filter 1 … 4 Jahre

(mit vorgeschalteten Gross- und

Feinstaub-Filtern)

je nach Betriebsstunden und

Anströmgeschwindigkeit

Die Filterbauarten sind sehr vielfältig. Es werden verschiedenste

Bezeichnungen verwendet, die sich am Material, der Einbauart, der

Benutzung, der Filterklasse und anderen Faktoren orientieren.

Nachfolgend eine beispielhafte Auswahl möglicher Bezeichnungen für

Filterbauarten.

Fig. 6-7 Mögliche Bezeichnungen für Luftfilter (Quelle: Recknagel)

Material Metallfilter Ölbadfilter

Faserfilter Elektrofaserfilter

Aktivkohlefilter

Einbauart Vertikalfilter Wandfilter; Deckenfilter

Kanalfilter

Benutzung Wegwerffilter Dauerfilter (regenerierbar)

Filterklasse vgl. Fig. 6-6

Betriebsart stationäres Filter

automatisches Filter

Umlauffilter Bandfilter, Rollbandfilter

Elektrofilter

Bauart Schrägstromfilter Trommelfilter; Kesselfilter

Rundluftfilter Taschenfilter, V-Form-Filter

6.2.3.2 Druckdifferenzen am Luftfilter

Anfangs-Druckdifferenz

End-Druckdifferenz

Druckdifferenz-Anstieg im Betrieb

Übliche Betriebsdauer

6.2.3.3 Filterbauarten

151

Das Filtermedium dieser in verschiedenen Formen hergestellten Filter

ist ein Vlies, welches aus Fasern unterschiedlicher Werkstoffe, wie Glas,

Kunststoff, Naturprodukten oder Metallen hergestellt wird. Als generel-

le Grundforderung sind lange Betriebszeiten und niedrige Druckdifferen-

zen zu sehen. Dies wird dadurch realisiert, dass möglichst viel Filterflä-

che in einem konfektionierten Filter untergebracht wird.

Typische Bauformen sind:

– ebene Filterzellen

– Taschenfilter

Hier wird das Filtermedium mit einer Gesamtdicke von ca. 50 mm

innerhalb eines Kartonrahmens von gelochten Blechen oder Pappen

abgestützt. Eine weitere Ausführungsform weist ein zickzackförmiges

gefaltetes Medium auf, welches mit Abstandhaltern aus Pappe oder

Kunststoffen auf Abstand gehalten wird.

Fig. 6-8 Filterzellen, Filterrahmen mit zickzackförmig-gefaltetem Filtermaterial

(’grössere Oberfläche)

Taschenfilter sind die verbreitetste Bauform für Faserfilter, wobei

Einrichtungen wie keilförmig ausgeführte Naht, einzelne Heftfäden,

eingeklebte oder – genähte Vliesstreifen, … ein Aufblähen derTaschen

verhindern. Das Filter besteht aus 6 bis 12 Taschen, welche in einem

gemeinsamen Rahmen untergebracht sind.

Fig. 6-9 Taschenfilter

Taschenfilter haben eine besonders hohe Staubspeicherfähigkeit und

geringe Einbaumasse. Das Flächenverhältnis Filterfläche/Ansichtsfläche

beträgt dabei etwa 20:1 … 25:1. Die Anströmgeschwindigkeit beträgt

≈ 2.5 m/s bezogen auf die Ansichtsfläche und ≈ 1 m/s bezogen auf die

Filterfläche.

Sie sind üblicherweise nicht reinigungsfähig, haben jedoch eine lange

Standzeit.

6.2.3.4 Faserfilter

Ebene Filterzellen

Taschenfilter

152

Sie werden meist als Endstufe eines mehrstufigen Filters eingesetzt

(Vorfilter sind zwingend erforderlich). Eingesetzt werden sie haupt-

sächlich bei industriellen Anwendungen wie Laboratorien, Operations-

räumen, Reinräumen und in pharmazeutischen Betrieben.

Schwebstofffilter werden oft in einzelnen Rahmen mit zickzackförmig

angeordnetem Filtermaterial ausgeführt. Die wirksame Filterfläche ist

dabei 20…50 mal grösser als die Anströmfläche. Das ergibt bei einer

Anströmgeschwindigkeit von ≈ 1.5 m/s im Filtermedium eine Luftge-

schwindigkeit von ≈ 2.5 cm/s.

Beim Einbau ist auch auf dichtschliessenden Anschluss zu achten und

dieser ist unbedingt zu überprüfen.

Bei Reinräumen ist dem Druckabfall – wegen des hohen Volumenstro-

mes und dem kontinuierlichen Betrieb – besondere Beachtung zu

schenken, da dieser eine massgebende Grösse für den Energiever-

brauch darstellt. Neuere Entwicklungen in den Filterklassen EU 13 …

EU 16 (vormals S,T und U) zielen daher auf eine geringere Anfangs-

Druckdifferenz ab (z.B. 90…150 Pa). Dazu werden beispielsweise

elektrostatische und mechanische Abscheide-Effekte kombiniert, die in

einer noch tieferen Anfangs-Druckdifferenz resultieren (z.B. 55…90 Pa).

Fig. 6-10 Schwebstoff-Filter

Metallfilter werden zur Abscheidung von Öl- und Fettnebeln, Grob-

staubabscheidungen und Farbnebelabscheidungen eingesetzt.

Die Filterwirkung beruht darauf, dass der Luftstrom beim Durchströmen

der Filterschicht in eine grosse Zahl von Teilströmen zerlegt wird, wel-

che vielfachen Richtungsänderungen unterworfen sind. Der Abschei-

dungsmechanismus basiert auf dem Sperreffekt und Trägheitseffekt.

Fig. 6-11 Metallfilter (zwei mögliche Bauformen)

Die Reinigung erfolgt durch Auswaschung mit Spülmitteln (z.B. bei

Filtern von Küchenhauben) oder mit Öl oder Lösungsmitteln (je nach Art

der Luftverunreinigung).

Schwebstofffilter

6.2.3.5 Metallfilter

153

Filter mit Aktivkohle dienen zur Adsorption von schädlichen oder uner-

wünschten gas- und dampfförmigen Verunreinigungen der Luft. Dazu

zählen Gerüche aus Küchen,Toiletten, Versammlungsräumen, aber auch

Gase und Dämpfe aus industriellen Prozessen. Die Wirkung der Aktiv-

kohle beruht je nach Schadstoff- und Kohlezustand auf der physikali-

schen und/oder chemischen Adsorption.

Das Basismaterial für Aktivkohle ist Steinkohle, Kokosschalen oder auch

Holz. In einem speziellen Prozess wird das Grundmaterial so aufberei-

tet, dass ein Körper mit zahlreichen Poren entsteht. Dadurch enthält der

Grundwerkstoff eine sehr grosse Oberfläche, an der sich die Schad-

stoffmoleküle anlagern können. Im Gegensatz zu der sichtbaren makro-

skopischen Gestalt und Oberfläche spricht man bei der durch die Poren

gebildeten Oberfläche von der «inneren» oder spezifischen Oberfläche

der Aktivkohle. Als Anhaltspunkt kann gelten, dass 1 g Aktivkohle

einem Volumen von ca. 2 cm3 entspricht und eine «innere» oder spezi-

fische Oberfläche von 900…1200 m2 hat.

Damit ein Aktivkohlefilter nun bestimmte Schadstoffe auch ausfiltern

kann, muss die Adsorptionsoberfläche oft mit einem chemischen Mittel

behandelt, d.h. imprägniert werden. Ein optimales Adsorptionsverhalten

bedingt, dass die Aktivkohle, die Imprägnierung und der zu adsorbieren-

de Stoff sehr gut aufeinander abgestimmt sind. Gase wie N2, O2 und

CO2 können mit Aktivkohle nicht adsorbiert werden, da sie ständig vor-

handen sind und die Aktivkohle bereits mit diesen Molekülen belegt ist.

Aktivkohlefilter werden in verschiedenen Bauarten, z.B. als Aktivkohle-

platten oder als regenerierbare Aktivkohle-Filterpatronen ausgeführt.

Die Regenerierung erfolgt dem adsorbierten Schadstoff entsprechend

mit sehr unterschiedlichen Verfahren (z.B. hohe Temperatur).

Fig. 6-12 Aktivkohlefilter (verschiedene Bauformen)

Vorfilter sind unbedingt erforderlich, um die Wirksamkeit der Aktivkohle

nicht durch Staubverschmutzung zu beeinträchtigen. Richtig eingebaut

und gewartet, haben Aktivkohlefilter eine Betriebszeit von 3…12 Mona-

ten.

6.2.3.6 Aktivkohlefilter

Kleine Aussenfläche, riesige

Adsorptionsfläche in Poren

Imprägnierung je nach Schadstoff

Bauarten

Betriebsdauer

154

In der Lüftungs- und Klimatechnik werden Elektrofilter eher selten ein-

gesetzt, kommen aber in speziellen Fällen zur Anwendung (z.B. hoher

Staubgehalt, 24 h-Betrieb, Ölnebel in der Abluft, …).

Elektrofilter funktionieren meistens nach dem Penney-System und

bestehen aus einem Ionisierungsteil mit positiv geladenen Wolfram-

drähten, in dem die ankommenden Staubteilchen durch Anlagerung von

Ionen elektrisch aufgeladen werden, und einem Staubabscheidungsteil

in Form eines Plattenkondensators. Je nach Art der Partikel die ausgefil-

tert werden müssen, kann die Oberfläche noch mit Staubbindemitteln

benetzt werden. Die Reinigung erfolgt durch Abspritzen mit Wasser von

etwa 30…40 °C und kann auch mit entsprechenden Vorrichtungen auto-

matisiert erfolgen.

Elektrofilter bieten einen guten Entstaubungsgrad auch bei kleinsten

Teilchen bis 0.1 μm und darunter (z.B.Tabakrauch, Nebel, Pollen, Bakte-

rien). Sie bieten einen geringen Luftwiderstand, sind aber in der

Anschaffung teuer.

Teilweise werden auch Elektrofilter eingesetzt, die nach dem elektro-

statischen Prinzip arbeiten und keinen Ionisierungsteil besitzen. Als Fil-

termedien kommen hier faserige Stoffe zur Anwendung welche entwe-

der durch ein spezielles Verfahren mit elektrischen Dipolen versehen

sind oder welche in einem von aussen aufgeprägten elektrostatischen

Feld angeordnet sind. Je nach angelegter Spannung oder Struktur des

Filtermediums werden mit bzw. ohne elektrisches Feld Abscheidegrade

von 15 % bis 90 % erzielt.

Vermehrt werden Elektrofilter auch in Kleinanlagen für den Wohn-

bereich angeboten, da diese auch Pollen, usw. entfernen. Dabei ist zu

beachten, dass der Stromverbrauch den Bestrebungen nach Energie-

einsparung mit Hilfe von kontrollierten Wohnungslüftungsanlagen (vgl.

6.5) entgegenwirken kann.

Bei diesen Filtern wird das Filtermedium oder die Filterschicht während

dem Betrieb intermittierend oder permanent erneuert oder gereinigt.

Man unterscheidet dabei im wesentlichen

– Bandluftfilter

– ölbenetzte Umlauffilter

Bei Bandluftfiltern wird das saubere Filtermedium von einer Rolle

abgespult und bei zunehmender Verschmutzung auf eine zweite Rolle

aufgewickelt. Der Bandtransport erfolgt durch einen Elektromotor.

Die Filter arbeiten nahezu mit einer konstanten Betriebsdruckdifferenz,

weisen aber eine höhenabhängige Luftverteilung auf, z.B. oben noch

wenig verschmutzt (hohe Luftgeschwindigkeit) unten mehr verschmutzt

(reduzierte Luftgeschwindigkeit).

Fig. 6-13 Rollbandfilter

6.2.3.7 Elektrofilter

Elektrofilter mit Ionisierungsteil

Elektrostatische Filter

Elektrofilter auch in Kleinanlagen

6.2.3.8 Automatische Filter

Bandluftfilter

155

Ölbenetzte Umlauffilter arbeiten mit einem endlos umlaufenden Band

aus Zellen oder Platten. Die Reinigung erfolgt im Ölbehälter mit einem

Waschvorgang durch bewegtes Öl. Danach werden die gereinigten

Schichten der Lufteintrittsseite zugewandt. Der ausgewaschene Staub

sammelt sich am Boden des Ölbehälters und wird durch Ablassen des

Öls, Auskratzen des Schlammes oder durch einen selbstreinigenden

Ölkreislauf entfernt.

Transport der Luft durch die raumlufttechnische Anlage. Sie erzeugen

den erforderlichen Volumenstrom und die dem Druckverlust der Anlage

entsprechende Druckerhöhung.

Fig. 6-14 Radial-Ventilator mit separatem Motor und Keilriemenantrieb (zum Einbau in

zentrales Lüftungsgerät)

Man unterscheidet zwischen Radial-Ventilatoren (Fig. 6-15) und Axial-

Ventilatoren (Fig. 6-16). Prinzipiell werden in Lüftungs- und Klimaanlagen

Radialventilatoren für relativ kleine Luftmengen (bis ca. 50 000 m3/h) bei

hohen Förderdrücken (bis 3000 Pa) eingesetzt. Axialventilatoren kom-

men für relativ grosse Luftmengen (> 50 000 m3/h) bei niedrigen För-

derdrücken (bis 1000 Pa) zur Anwendung.

Der Radialventilator saugt die Luft axial an und fördert sie radial. Die

Leitvorrichtung ist das Spiralgehäuse. Die Laufräder werden je nach

Bedarf mit vorwärts-, rückwärts-gekrümmten oder geraden Schaufeln

gebaut.

Fig. 6-15 Radialventilator mit Laufrad (1), Spiralgehäuse (2), Lufteintritt (3) und

Luftaustritt (4) (Quelle: LTG)

Bauart Anwendung

rückwärts bei hohen Drücken bis 3000 Pa und

gekrümmte Schaufeln Wirkungsgraden (ca. 80 … 85 %)

vorwärts bei geringen Drücken bis ca. 1300 Pa

gekrümmte Schaufeln und Wirkungsgraden (ca. 55 … 75 %)

gerade Schaufeln für Sonderanwendungen

Ölbenetzte Umlauffilter

6.2.4 Ventilatoren

Aufgabe

Bauarten und Funktionsweise

Radialventilator

156

Der Axialventilator fördert den Luftstrom parallel zu seiner Antriebs-

achse. Bei den besseren und leistungsstärkeren Ausführungen wird der

Austrittsdrall des Laufrades durch ein feststehendes Leitrad aufgefan-

gen.

Fig. 6-16 Axialventilator mit Laufrad (1), Leitrad (2), Lufteintritt (3) und Luftaustritt (4)

(Quelle: LTG)

Die richtige Auswahl des einzusetzenden Ventilatortyps hängt von ver-

schiedenen Gesichtspunkten ab und jederTyp hat gewisse Vorteile.

* bei Motoren mit Keilriemen-Antrieb

Radialventilator Axialventilator

Geringe Geräuschentwicklung Geringer Raumbedarf

einfache Leistungsanpassung * niedrige Anschaffungskosten

einfache Motorauswechslung * Regelung durch Schaufelverstellung

Bauart Anwendung

Wandventilator für Fenster- oder Wandeinbau

ohne Leitrad bei geringen Drücken (bis ca. 300 Pa)

mit Leitrad bei höheren Drücken (bis ca. 1000 Pa)

Gegenläufer (2 Lauf- höchste Drücke

räder die sich in Gegen- (> 1000 Pa) und Sonderanwendungen

richtung bewegen)

Axialventilator

157

Bei Anlagesystemen mit quadratischer Kennlinie (was für die aller-

meisten Komponenten zutrifft, vgl. Fig. 6-17, Anlagekennlinien I und II)

und unveränderlicher Dichte gelten die aus der Strömungsmechanik

bekannten Proportionalitätsgesetze.

Der Volumenstrom ändert sich proportional mit dem Drehzahlverhältnis.

Die Druckerhöhung ändert sich mit dem Quadrat des Drehzahl- oder

Volumenstrom-Verhältnisses.

Die Antriebsleistung ändert sich proportional mit der 3. Potenz des

Drehzahl- oder Volumenstrom-Verhältnisses (gilt so nur, wenn sich der

Ventilator-Wirkungsgrad nicht ändert).

• Gleichung 1 besagt z.B., dass eine Verdopplung des Volumen-

stromes mit der Verdopplung der Drehzahl erreicht wird.

Wird bei einem Ventilator die Drehzahl von 1000 auf 2000 min–1 erhöht

dann ändert sich der geförderte Volumenstrom von 4000 m3/h wie folgt:

• Gleichung 2 zeigt z.B., dass mit der Verdopplung des Volumen-

stromes ein vierfach höherer Druck folgt.

Der Ventilator fördert die 4000 m3/h mit einem Druck von 350 Pa. Wird

nun wie oben berechnet, die Drehzahl und damit der Volumenstrom

verdoppelt, dann ergibt sich folgende Druckerhöhung:

• Gleichung 3 zeigt z.B., dass mit der Verdopplung des Volumen-

stromes ein achtfach höherer Kraftbedarf erforderlich wird oder

umgekehrt eine Halbierung des Volumenstromes die Leistungs-

aufnahme auf 1/8 reduziert (vgl. Drehzahlregelung)!

Wird der Ventilator z.B. in einer VVS-Anlage eingesetzt und muss im Teil-

last-Betrieb nur 4000 m3/h anstatt 8000 m3/h fördern, dann ändert sich

die Leistungsaufnahme von momentan 3.0 kW (an der Welle) wie folgt:

P1 =V.

13

=n1

3

’ P2 = P1 *V.

23

= 3.0 kW *4000 m3/h 3

=0,375 kWP2

�V.

2� �n2

� �V.

1� �8000 m3/h�

p1 =V.

12

= n1

2

’ p2 = P1 *V.

22

= 350 Pa *8000 m3/h 2

= 1400 Pap2

�V.

2� �n2

� �V.

1� �4000 m3/h�

V.

1 =n1 ’ V

.2 = V

.1

n2 = 4000 m3/h *2000 min-1

= 8000m3/hV.

2 n2 n1 1000 min-1

P1 =V.

13

=n1

3

P2�V. 2

� �n2�

p1 =V.

12

=n1

2

p2�V

.2� �n2

�

V.

1 = n1

V.

2 = n2

6.2.4.1 Die Ventilator- und

Anlagekennlinien

Proportionalitätsgesetze

Proportionalitätsgesetz 1

Proportionalitätsgesetz 2

Proportionalitätsgesetz 3

Aussagen der Gleichungen

Beispiel:

Beispiel:

Beispiel:

158

Fig. 6-17 Ventilator- und Anlagekennlinien (nicht doppelt logarithmisch)

n1…n4 Ventilatorkennlinien bei verschiedenen Drehzahlen

I, II Anlagekennlinien 1 und 2

1…4 Betriebspunkte

1 Betriebspunkt normal

1 ’ 2 Betriebspunkt-Verschiebung z.B. durch verschmutzten Filter

3 wie bei 2, aber mit dem gewünschten Luftvolumenstrom

1 ’ 4 Betriebspunkt-Verschiebung bei Drehzahlerhöhung

Die Kennliniendarstellung von Ventilatoren sieht in der Regel etwas

anders aus als in Fig. 6-17 und zeigt eine eher verwirrende Fülle von

Linien, Kurven und Skalenstäben, deren Bedeutung und Information

zum gewählten Betriebspunkt nicht immer auf Anhieb erkennbar wird.

Normalerweise wird eine bis drei Linien je Ventilatorgrösse gemessen

(Volumen, Druck, Kraftbedarf, Drehzahl). Alle anderen in dem Kennli-

nienfeld aufgeführten Druck-Volumen-Kennlinien werden über Propor-

tionalitätsgesetze hochgerechnet. Dies bedeutet:

Nicht jede dargestellte Druck-Volumen-Kennlinie ist eine gemessene

Linie.

1

2

3

I

II

4

n1

n3

n4

p1

p2

p3

1V 4V

Verwirrspiel?

159

Zur Vereinfachung der Darstellung wählen die Ventilator-Hersteller die

sogenannte doppelt-logarithmische Darstellung. Dadurch werden die

Anlagekennlinien nicht mehr als Parabeln wie in Fig. 6-17, sondern als

Geraden mit der Funktion Δpt = f * (V2) dargestellt.

Fig. 6-18 Ventilatorkennlinien (mit logarithmisch skalierten- V.- und Δpt-Achse)

1 Volumenstrom in 1000 m3/h (oder m3/s, l/s, …)

2 Totaldruck-Erhöhung Δpt in Pa

3 Druck-Volumen-Kennlinien Feld

4 Wirkungsgrad und Anlagekennlinie

5 Kraftbedarf in kW an der Welle des Ventilators

6 A-bewerteter Schallleistungspegel

7 Austritts-Geschwindigkeit c2 in m/s (im Abstand von 2,5 x Laufrad-Durchmesser)

8 dynamischer Druck pd2 in Pa (resultierend aus Austritts-Geschwindigkeit;

pd2 = ρ·(c2)2/2)

9 Ventilatordrehzahl

10 Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades in m/s

A Betriebspunkt z.B. bei 4000 m3/h und 800 Pa

160

Erwärmen der Zuluft auf die erforderliche Temperatur (z.B. Einblas-

temperatur einer Raumheizung)

– Rippenrohr-Wärmeübertrager, betrieben mit Warmwasser, Heiss-

wasser, Wasser- oder Kältemitteldampf (Fig. 6-19)

– Elektrolufterhitzer (Fig. 6-21)

Lufterhitzer werden in Luftheizanlagen und in Klimaanlagen als Vor-

wärmer oder Nachwärmer eingesetzt.

Fig. 6-19 Rippenrohr-Lufterhitzer und möglicher Einbau in Anlage (mit Beimischschaltung)

Wärmeübertrager zeigen meistens ein nichtlineares Verhalten zwischen

dem sie durchfliessenden Massenstrom und der zugehörigen abgege-

benen Leistung. Je nach Konstruktion und Versorgungstemperaturen,

ist diese sogenannte Wärmeübertrager-Kennlinie mehr oder weniger

stark gebogen, was mit dem «a-Wert» ausgedrückt wird. Die Wärme-

übertrager-Kennlinie wird auf den maximalen Volumenstrom und die

maximale Leistung bezogen dargestellt.

Fig. 6-20 Wärmeübertrager-Kennlinien und zugehörige a-Werte

Elektro-Lufterhitzer haben eine Anzahl Heizwendel eingebaut, die sich

erhitzen wenn sie von Strom durchflossen werden und die so entstan-

dene Wärme an die Luft abgeben. Sie werden dort eingebaut, wo keine

Warmwasserheizung besteht, der Anschluss zu weit weg ist oder aus

anderen Randbedingungen ein Warmwasser-Lufterhitzer nicht zulässig

ist. Elektro-Lufterhitzer benötigen wegen der möglichen Brandgefahr

spezielle Sicherheitseinrichtungen und -vorkehrungen (z.B. Sicherheits-

thermostat, Nachlaufzeit des Ventilators, …).

Q/Q100. .

V/V100. .

a

6.2.5 Lufterwärmer

Aufgabe

Bauarten nach Betriebsmitteln

161

Fig. 6-21 Elektrolufterhitzer (Stahlrohre mit eingebauten Heizwendeln; Quelle: Loysch)

Kaltwasser-Luftkühler sind Rippenrohr-Wärmeübertrager die mit Kalt-

wasser mit Vorlauf-/Rücklauftemperaturen von z.B. 6/12 °C oder 8/14 °C

betrieben werden. Luftkühler benötigen in der Regel mehr Übertra-

gungsfläche als Lufterhitzer, weil die mittlere Temperaturdifferenz zwi-

schen der Kühleroberfläche und der Luft kleiner ist. Diese Forderung

wird konstruktiv durch mehrere, hintereinander angeordnete Rohrreihen

erfüllt. Der nachfolgend gezeigte hydraulische Anschluss des Luftküh-

lers muss zwingend so gemacht werden, d.h. Umlenkschaltung, wenn

die Luft nicht nur gekühlt, sondern auch entfeuchtet werden soll. Soll

die Luft nur gekühlt werden, dann ist auch eine Beimischschaltung

zulässig.

Fig. 6-22 möglicher Einbau eines Kaltwasser-Kühlers in Anlage (mit Umlenkschaltung)

1 Kaltwassereintritt

2 Lufteintritt

Ein Rippenrohr-Wärmeübertrager als Verdampfer eines Kältemittel-Kreis-

prozesses wird direkt als Kühler in den Luftstrom eingesetzt. Diese

Lösung wird in der Regel nur in Kompakt-Luftkühlgeräten gewählt, in

welche auch der Kompressor und der Kondensator eingebaut wird.

Fig. 6-23 Direktverdampfer-Luftkühler

mögliche Bauformen (links)

Anschlussdetail Kältemittelverteiler (rechts)

1

2

6.2.6 Kaltwasser-Luftkühler

6.2.7 Direktverdampfer-Luftkühler

162

– Befeuchtung durch Verdunstung von Wasser

– Befeuchtung durch Einblasen von Dampf

Zu den Verdunstungsbefeuchtern gehören die Luftwäscher, die Wasser-

Zerstäuber und die Oberflächen-Wasserverdunster.

Wasser wird aus einem Bassin in die im Luftstrom verteilten Sprüh-

düsen gepumpt.

Die feinen Tröpfchen verdunsten grösstenteils zu Wasserdampf und

entziehen dabei der vorbeiströmenden Luft die dazu notwendige Ver-

dampfungswärme. Da die für die Verdampfung notwendige Energie

ausschliesslich aus der Luft stammt, kühlt sich der Luftstrom dabei ab

(adiabate Kühlung). Die nicht verdunsteten Wassertröpfchen werden in

einem Tropfenabscheider, am Austritt des Luftwäschers ausgeschieden

und ins Auffangbecken zurückgeleitet.

Fig. 6-24 Luftwäscher Prinzip und mögl. Bauform (Quelle: Baehr)

1 Sprühdüsen (mehrere Reihen nebeneinander, oft Sprührichtung gegen den Luftstrom)

2 Tropfenabscheider

3 Auffangbecken

4 Umwälzpumpe

Das Wasser wird durch sogenannte Molekular-Zerstäuberdüsen zu

einem Sprühnebel zerstäubt. Die Wassertröpfchen (sog. Aerosole) wer-

den dabei so klein, dass sie in der Luft schweben und anschliessend

vollständig verdunsten. Die Verdunstungswärme wird der Luft entzogen

die dadurch etwas abgekühlt (adiabatische Kühlung).

Fig. 6-25 Oberflächen-Wasserverdunster (eingebaut in Lüftungsgerät)

1

2

4

3

3

6.2.8 Befeuchter

Prinzipien

6.2.8.1 Verdunstungsbefeuchter

Luftwäscher

Wasser-Zerstäuber

163

Dem oben beschriebenen Wasserzerstäuber werden grossflächige,

poröse Keramikplatten nachgeschaltet, in welchen die noch nicht ver-

dunsteten Aerosole aufgefangen werden und anschliessend vollständig

verdunsten (siehe Fig. 6-25).

In Anlagen, die hohen hygienischen Anforderungen genügen müssen,

können sogenannte Kaltdampfgeneratoren zur Befeuchtung eingesetzt

werden. Deutlich reduzierter Wasser- und Energieverbrauch gegenüber

den oben aufgeführten Befeuchtungsarten sind die charakteristischen

Merkmale eines Kaltdampfgenerators.

Die eintretende Luft wird im Kaltdampfgenerator zuerst in Schwingung

versetzt, z.B. durch einen Infrarot-Schallgenerator oder es werden Luft-

wirbel erzeugt, in dem die Luft durch ein Wirbelgitter geleitet wird.

Anschliessend wird das Wasser mit hohem Druck (20–150 bar) in die

Luft eingedüst. Die Schwingung oder die Luftwirbel sorgen dabei für

eine gute Durchmischung. Zur Aufnahme der Feuchtigkeit in der Luft

wird auch hier Verdampfungswärme benötigt, was zu einer Abkühlung

der behandelten Luft führt (entlang der Enthalpie-Linie im h-x-Dia-

gramm).

Fig. 6-26 Kaltdampfgenerator, prinzipieller Aufbau und mögliche Bauform

(Quelle: Klingenburg)

1 Luftwirbel 3 Durchmischungszone

2 Zerstäuberdüse(n) 4 Tropfenabscheider

In Kaltdampfgeneratoren wird nur soviel Wasser wie nötig zerstäubt.

Deshalb haben sie kein Umlaufwasser und keine Auffangwanne. Nicht

verdampfte Tropfen werden im Tropfenabscheider am Ende des Bauteils

zurückgehalten.

Kaltdampfgeneratoren haben eine sehr gute Befeuchterleistung (hoher

Befeuchtungswirkungsgrad; gegen 100 %). Die Leistungsregelung

erfolgt über den Wasserdruck in der Zerstäuberdüse.

Oberflächen-Wasserverdunster

Kaltdampfgenerator

164

Wasser wird zuerst vollständig verdampft und dann erst eingeblasen

(keine adiabatische Kühlung der Luft). Dampfbefeuchtung wird in Kom-

fortklimaanlagen immer häufiger eingesetzt und verdrängt dort, wo

nicht gleichzeitig Luftkühlung gefordert wird, die Verdunstungsbefeuch-

tung. Dampf ist hygienisch sauber und frei von Bakterien.

Im Verdampfergefäss (siehe Fig. 6-27) sind Heizelektroden eingesetzt,

die sich mit der Zeit abbauen. Und weil auch der aus dem Wasser aus-

geschiedene Kalk im Verdampfergefäss zurückbleibt, wird periodisch

das ganze Verdampfergefäss entsorgt und durch ein neues ersetzt.

Solche Dampfbefeuchter lassen sich – über entsprechende elektroni-

sche Schnittstellen – auch stetig regeln.

Fig. 6-27 Dampf-Luftbefeuchter mit Eigendampf

1 Verdampfergefäss 4 Kondensatleitung

2 Elektroden 5 Wasseranschluss

3 Dampflanze

In grösseren Anlagen (Industrieanlagen) mit entsprechend grosser

Befeuchterleistung wird der Dampf in einem separaten Dampfkessel

erzeugt. Der Dampf wird über speziell konstruierte Dampfverteiler (Fig.

6-28) kondensatfrei in den Luftstrom eingeblasen. Das in den Verteil-

rohren anfallende Kondensat muss vollständig abgeleitet und in den

Dampfkessel zurückgeführt werden. Die Dampfmenge wird über ein

stetiges Regelventil genau dosiert.

Fig. 6-28 Dampf-Luftbefeuchter mit Regelventil (1) und Verteilrohren (2) für Fremddampf

1

2 2

3

1

2

5

4

6.2.8.2 Dampfbefeuchter

Prinzip

Dampf-Luftbefeuchter mit

Eigendampf

Dampf-Luftbefeuchter mit

Fremddampf

165

Das Entziehen von Feuchtigkeit aus der Luft erfolgt nach drei grundsätz-

lich verschiedenen Methoden:

• Kühlung der Luft mit Wasserausscheidung

• Absorption des Wassers in hygroskopischen Flüssigkeiten

• Adsorption des Wasserdampfes durch Anlagerung an festen Ober-

flächen

Bei dieser Art der Lufttrocknung wird die Luft mit einem genügend

kalten Kühlmittel so stark abgekühlt, dass sich das Wasser aus der Luft

ausscheidet. Der Entfeuchtungs-Prozess ist also gleichzeitig ein Luft-

kühlprozess.

Bemerkenswert ist, dass die Luft nicht zwingend auf ihre Taupunkt-Tem-

peratur abgekühlt werden muss. Es genügt, wenn die Temperatur der

Kühleroberfläche unterhalb derTaupunkt-Temperatur der Luft liegt. Wei-

ter ist es auch nicht erforderlich, dass der Kühler sehr gross sein muss.

Denn auch bereits bei einer sehr geringen Abkühlung der Luft findet

Wasserausscheidung statt.

Zur Entfeuchtung können dieselben Kühlmittel eingesetzt werden, die

auch bei der Kühlung von Luft üblich sind, also gekühltes Wasser (mit

Kältemaschine produziert), Brunnenwasser, Seewasser, Sole, … , sowie

bei der direkten Kühlung die verschiedenen Kältemittel.

Dieses Prinzip der Luftentfeuchtung wird sehr oft in Klimaanlagen ange-

wendet, bei gleichzeitiger Kühlung der Luft. Sehr oft auch in fahrbaren

Geräten die dann ortsunabhängig eingesetzt werden können.

Der Wasserdampf geht in hygroskopischen Flüssigkeiten in Lösung und

verdünnt die Flüssigkeit. Die Wasserdampfaufnahme nimmt zu mit

steigender Wasserdampfkonzentration der Luft, mit steigendem Druck

und mit sinkenderTemperatur. Die Regenerierung der hygroskopischen

Flüssigkeiten erfolgt üblicherweise durch Erwärmen.

Verwendet werden in der Regel wässrige Salzlösungen von Lithium-

chlorid, Lithiumbromid oder Calciumchlorid.

Bei dieser Art der Luftentfeuchtung wird der Wasserdampf an der

Oberfläche eines festen Körpers – des Adsorbens – angelagert, wobei

die Oberfläche vorwiegend durch die innere Struktur mit Poren kleinster

Abmessungen gebildet wird.

Für die Adsorption von Wasserdampf wird meistens Kieselgel einge-

setzt (Handelsname Silicagel). Es besteht zu 90 % aus SiO2 und hat

eine innere Oberfläche von bis zu 1000 m2/g.

Bei der Adsorption wird die Adsorptionswärme im Adsorbens freige-

setzt, was zu einerTemperaturerhöhung der Luft führt. Die entfeuchtete

Luft muss deshalb evtl. noch gekühlt werden.

Die Regenerierung erfolgt durch Erhitzen mittels heisser Luft auf ca.

150 °C … 200 °C. Ist das Sorptionsmittel abgekühlt, ist es wieder ein-

satzbereit.

6.2.9 Entfeuchtung

Kühlung mit Wasserausscheidung

Absorption

Adsorption

166

Für einen kontinuierlichen Betrieb einer Adsorptions-Anlage sind zwei

Behälter mit Kieselgel nötig. Einer adsorbiert die Luftfeuchtigkeit, wäh-

rend der andere regeneriert und gekühlt wird.

Das Prinzip der Adsorption zur Luftentfeuchtung kommt auch in DEC-

Anlagen zum Einsatz (vgl. 6.2.11). Dort besteht der rotierende Tauscher

aus einer Verbindung von Keramik und Kieselgel (Silicagel). Zur Regene-

ration sind allerdings nicht so hohe Temperaturen erforderlich, was die

Nutzung von Abwärme zulässt.

Fig. 6-29 Sorptionstauscher und Funktionsprinzip (Quelle: Klingenburg)

Nutzung der Wärme aus der Abluft.

WRG-Anlagen gehören zu den wichtigsten lufttechnischen Komponen-

ten, weil sie den Energieverbrauch von Klimaanlagen wesentlich redu-

zieren. Deshalb spricht man oft auch von EnergierückgewinnungERG (vgl. VDI 2071). Sie sind vielerorts gesetzlich vorgeschrieben.

Bei Bedarf wird ein Teil der Abluft aus dem Raum über den Bypass

direkt der Aussenluft beigemischt. Dadurch ergibt sich eine Mischtem-

peratur und -feuchtigkeit im Luftstrom, der dann noch entsprechend

nachbehandelt werden kann. Die Aussenluft-, Fortluft- und Umluftklap-

pen sind meistens, wie unten gezeigt, mechanisch miteinander gekop-

pelt. Die Aussenluftklappe wird nur bis zu einer zulässigen Minimalstel-

lung geschlossen (Luftqualität). Die Umluftbeimischung wird oft auch

bei der Aufheizung verwendet. Nach VDI 2701 wird sie nicht den WRG-

Systemen zugeordnet.

Fig. 6-30 Umluftbeimischung

1 Aussenluftklappe 3 Umluftklappe

2 Forluftklappe

2

3

1

6.2.10 Wärmerückgewinnung (WRG)

Aufgabe

6.2.10.1 Arten von

Wärmerückgewinnungen

Umluftbeimischung

167

Fortluft- und Aussenluftstrom sind durch feststehende Trennflächen

getrennt. Meistens Kuben mit Platten – teilweise auch mit Rohren.

Material je nach Anwendung und Luftzustand/-qualität z.B. Aluminium,

Chromstahl, Glas, Kunststoffe. Die Leistungsregelung erfolgt durch eine

Bypassklappe (meistens in der Aussenluft eingebaut), welche die

Aussenluft teilweise am Wärmeübertrager vorbeiführt und gleichzeitig

das zu starke Abkühlen der Abluft und damit das Vereisen verhindert.

Fig. 6-31 Rekuperative WRG: Plattentauscher (Quelle: Klingenburg)

1 Aussenluft 3 Abluft

2 Zuluft 4 Fortluft

Rotierende, zellenförmige Speichermasse wird abwechselnd von

Aussenluft und Abluft durchströmt. Das Mass der Wärmeübertragung

kann durch Veränderung der Rotor-Drehzahl beeinflusst werden. Durch

hygroskopische Beschichtung der Speicheroberfläche kann auch Feuch-

te, bzw. Enthalpie übertragen werden.

Fig. 6-32 Regenerative WRG: Rotations-Wärmeübertrager

Schnittbild und Prinzip (Sommerfall)

1 Aussenluft 3 Abluft

2 Zuluft 4 Fortluft

1

4

3

2

Rekuperatoren

Regeneratoren

Rotations-Wärmeübertrager

168

Je ein Rippenrohr-Wärmeübertrager wird in den Aussenluft- und in den

Abluftstrom eingesetzt. Der Wärmetransport zwischen den beiden Wär-

meübertragern erfolgt über einen hydraulischen Kreislauf, meist mit

einer Wasser-Glykol-Mischung als Transportmedium. Eine Umwälz-

pumpe sorgt für die Zirkulation des Transportmediums. Das Mass der

Wärmeübertragung kann durch ein Dreiweg-Verteilventil beeinflusst

werden.

Diese Art der Wärmerückgewinnung kommt vor allem dort zur Anwen-

dung, wo Aussenluft und Abluft örtlich weit auseinander liegen und bei

Anlagesanierungen.

Bei kreislaufverbundenen Wärmeübertragern ist dem Vereisungsschutz

speziell Beachtung zu schenken (vgl. Fig. 6-33). Bei sehr tiefen Aussen-

temperaturen wird das Transportmedium (Wasser-Glykol-Mischung)

durch die Aussenluft stark abgekühlt. Wird – durch das kalte Transport-

medium – derTaupunkt der Abluft unterschritten, kondensiert die darin

enthaltene Feuchtigkeit und es kann zur Vereisung des abluftseitigen

Wärmeübertragers kommen. Es ist deshalb äussert wichtig, dass die

korrekte hydraulische Schaltung gewählt wird und das Verteilventil (4)

und der Begrenzungsfühler (5) am richtigen Ort eingebaut sind.

Fig. 6-33 Kreislaufverbundene Wärmeübertrager

1 Aussenluft 4 Dreiweg-Verteilventil

2 Fortluft 5 Begrenzungsfühler (Vereisungsschutz)

3 Kreislaufpumpe

Zur Spezifikation von Übertragungsleistungen werden Rückwärmzahlen

und Rückfeuchtzahlen – als Verhältnis der tatsächlich erreichten Tem-

peratur- oder Feuchteänderung der Aussenluft zu der theoretisch mög-

lichen – verwendet. Man spricht auch von Änderungs- oder Übertra-

gungsgrad (z.B.Temperatur-Änderungsgrad, Enthalpie-Übertragungs-

grad).

1

2

11

22

12

21

ABL FOL

AUL ZUL

5

Kreislaufverbundene

Wärmeübertrager

Vereisungsschutz

«Wirkungsgrad» einer WRG

169

Rückwärmzahl Rückfeuchtzahl

wobei Φ2 (Phi 2), ψ2 (Psi 2) jeweils auf die Aussenluftseite bezogen sind

t11 Ablufttemperatur x11 Abluftfeuchte

t12 Fortlufttemperatur x11 Fortluftfeuchte

t21 Aussenlufttemperatur x21 Aussenluftfeuchte

t22 Zulufttemperatur x22 Zuluftfeuchte

Für den Winterbetrieb von Klimaanlagen (wenn t11 > t21 und x11 > x21)

und den Hochsommerbetrieb (wenn t11 < t21 und x11 < x21), kann die

WRG-Leistung auch mit dem Übertragungsgrad der Enthalpie beschrie-

ben werden:

Enthalpie-Übertragungsgrad

Fig. 6-34 Eigenschaften verschiedener WRG-Systeme1) diese Angaben sind Richtwerte, bitte Herstellerunterlagen beachten

Der Begriff DEC (Desiccative and Evaporative Cooling) steht fürTrock-

nung und Verdunstungskühlung.

Der Grundgedanke der DEC-Technik besteht darin, den klassischen –

mit elektrisch angetriebenen Kompressoren betriebenen – Kälteerzeu-

gungsprozess in der Klimatisierung mit Luftentfeuchtungsaufgaben zu

ersetzen. Dazu wendet man die seit langem bekannten Verfahren der

adiabatischen Kühlung und der adsorptiven Luftentfeuchtung (vgl. 6.2.9)

in einer speziellen Kombination an. Meistens werden feste Sorptions-

mittel eingesetzt, deren Anwendung sich bewährt hat (z.B. Silicagel).

Antriebsenergie des Prozesses (vgl. 5 in Fig. 6-35) ist Wärme auf einem

nicht allzu hohen Temperaturniveau, die sehr oft – insbesondere im

Sommer – in Form von Abwärme zur Verfügung steht. Aus untenste-

hender Abbildung ist ersichtlich, dass dieser Prozess auf einem, gegen-

über den Lufttemperaturen, hohen Temperaturniveau abläuft (Regene-

rations-Lufterhitzer bis z.B. 70 °C).

Eigenschaften Zu- und Stoff- Übertra- Druck-Abluft zu- austausch gungsgrad verlustsammen möglich Rückwärm- luftseitig1)

WRG-System führen zahl1)

Rekuperatoren Platten-/Röhren- ja nein 45…65 % 150…300 Pa

Wärmetauscher

Regeneratoren Rotationstauscher ja ja 70…90 % 50…100 Pa

ohne hygroskop. (gering)

Beschichtung

Rotationstauscher ja ja 70…90 % 50…100 Pa

mit hygroskop. (gut)

Beschichtung

Kreislaufverbund- nein nein 40…70 % 100…200 Pa

System

Φh2 =h22 – h21

h11 – h21

ψ2 =

x22 – x21

x11 – x21

Φ2 =t22 – t21

t11 – t21

Eigenschaften verschiedener

WRG-Systeme

6.2.11 DEC-Systeme

Adiabatische Kühlung und adsorptive

Entfeuchtung geschickt kombiniert

170

Die Aussenluft (z.B. 32 °C, 35 % r.F.) wird nach der üblichen Filterung in

einem Adsorptions-Tauscher (1) entfeuchtet. Diese Entfeuchtung findet

kontinuierlich statt und erfolgt nahezu adiabat. Die dabei freiwerdende

Adsorptionswärme wird an den Luftstrom abgegeben, was zu einer

Erwärmung der Aussenluft führt.

Die trockene warme Luft wird anschliessend in einem regenerativen

Wärmerückgewinner (2) vorgekühlt. Im Winter dient dieser Rotations-

tauscher zur Vorwärmung der Aussenluft mit Hilfe der Abluft. Die so vor-

gekühlte Luft wird anschliessend durch einen Verdunstungsbefeuchter

(3) auf die geforderte Zuluftemperatur und -feuchte gebracht.

Die Abluft wird durch einen weiteren Verdunstungsbefeuchter (4) in der

Temperatur abgesenkt zur besseren Vorkühlung der Zuluft im Wärme-

rückgewinner (2). Dabei erwärmt sich die Abluft. Es erfolgt eine Nach-

wärmung mit einem Lufterhitzer (5), damit der Adsorptions-Tauscher (1)

wieder regeneriert werden kann. Dabei wird die Abluft gekühlt und die

Feuchte nimmt zu. Man nennt diesen Vorgang auch «adiabate Desorp-

tion».

Fig. 6-35 Funktionsprinzip einer DEC-Anlage – Sommerfall (Quelle: Klingenburg)

1 Sorptions-Tauscher (Trocknung der Aussenluft)

2 Rotations-Wärmetauscher

3 Zuluft-Befeuchter (adiabatische Kühlung)

4 Abluft-Befeuchter (adiabatische Kühlung, z.B. Kaltdampf-Generator)

5 Regenerations-Lufterhitzer (erwärmt Luft auf z.B. 70 °C)

I Zustandsverlauf Aussenluft (AUL) – Zuluft (ZUL)

II Zustandsverlauf Abluft (ABL) – Fortluft (FOL)

Funktionsprinzip

(Sommerfall)

171

Nachdem die Luft im zentralen Luftaufbereitungsgerät den Nutzer-

bedürfnissen entsprechend aufbereitet worden ist, wird diese durch ein

Kanalnetz zu den verschiedenen Räumen geführt. Hier gilt es, die Luft

so in den Raum zu bringen, dass die Behaglichkeit der Raumnutzer

nicht beeinträchtigt wird. Um die Luft optimal in den Raum zu führen,

steht eine grosse Anzahl unterschiedlichster Luftauslässe von verschie-

denen Herstellern zur Verfügung.

Fig. 6-36 Verschiedene Luftauslässe Drallauslass; Kugelschiene; spez. Deckenauslass

(Quelle: Trox)

Raumlufttechnische Anlagen, die einen vorgegebenen Luftzustand nach

Temperatur und Feuchte ganzjährig einhalten können, nennt man Klima-

anlagen. Diese Anlagen sind also mit allen notwendigen Komponenten

ausgerüstet die es erlauben, die Luft je nach Bedarf zu erwärmen oder

zu kühlen, zu befeuchten oder zu entfeuchten.

Die Notwendigkeit des Einsatzes einer Klimaanlage muss jeweils sorg-

fältig überprüft werden. Nachfolgend einige Vorgaben, die eine Klima-

tisierung erforderlich machen können:

– Hitze, Schwüle

– architektonische Vorgaben wie grosse Fensterfronten, Grossraum-

büros, mangelnde Beschattung, …

– strenge Anforderungen an Temperatur und Feuchte

– innenliegende Räume, Versammlungsräume

– hohe thermische Lasten

– EDV, Maschinenräume

Klimaanlagen mit zentraler Wärme- und/oder Kälteerzeugung unter-

scheidet man prinzipiell danach, ob die im Raum benötigte Heiz- und

Kühlenergie nur über die Zuluft, nur über das Warm- und Kaltwassernetz

oder über beide Energieträger gemeinsam zum Raum transportiert

wird. Aus dieser Unterscheidung ergeben sich die folgenden System-

Varianten:

• Nur-Luft-Systeme

• Luft-/Wasser-Systeme

Dabei ist zu beachten, dass bei Nur-Luft-Systemen der Energietransport

der gleichen Wärme- und Kühlleistung erheblich mehr Energie erfordert,

als bei der Übertragung mittels Wasser.

6.2.12 Luftauslässe

6.3 Klimaanlagen mit zentraler

Energiezufuhr

172

Fig. 6-37 Bauarten von Klimaanlagen

Luft-Wasser-Systeme

Energietransport mittels Luft und Wasser

örtliche Wärmetauscher im Raum

Anlagen mit Induktions- Ventilator- Kühldecke/örtlichen Anlagen Konvektor- Quellluft-Nacheizern Anlagen AnlageKühlern

2-Leiter- 3-Leiter- 4-Leiter-

System System System

Vor- und Rücklauf Vorlauf WW + KW Vor- und Rücklauf

Rücklauf gemeinsam WW + KW

– mit Umschaltung – mit Ventilsteuerung

(Change-over-System) (nur 1 Wärmetauscher)

Sommer: Kaltwasser – mit Klappensteuerung

Winter: Warmwasser (2 Wärmetauscher)

– ohne Umschaltung

Nur-Luft-Systeme

Heizen und Kühlen des Raumes nur mit Luft

als Niedergeschwindigkeitsanlage

oder Hochgeschwindigkeitsanlage

Einkanal-Anlage Zweikanal-AnlageKalt- und Warmluftkanal

mit variablem mit konstantem mit variablem mit konstantem

Volumenstrom Volumenstrom Volumenstrom Volumenstrom

Einzonen MehrzonenAnlagen Anlagen

– mit örtlichen Nachwärmern

– mit Wechselklappen (früher)

173

Die Zufuhr der erforderlichen Heiz- und Kühlenergie zu den Räumen

erfolgt ausschliesslich über die Zuluft. Das in der Energiezentrale aufbe-

reitete Warm- bzw. Kaltwasser überträgt seine Heiz- bzw. Kühlenergie

in der zentralen Luftaufbereitungsanlage an die Zuluft.

Fig. 6-38 Nur-Luft-System

1 Aussenluft 6 Umluft

2 Fortluft 7 Zentrale Luftaufbereitung

3 Zuluft 8 Luftkanäle (Zu- und Abluft)

4 Abluft 9 Heizkessel

5 Raum 10 Kältemaschine

Bei diesem System (Fig. 6-39) wird die gesamte Zuluft in der Zentrale

aufbereitet und dann über ein Kanalnetz den Räumen zugeführt. Die

Leistungsanpassung erfolgt nach dem Abluftzustand und findet aus-

schliesslich in der Zentrale statt.

Anlagen mit ausschliesslich zentraler Luftaufbereitung eignen sich für

die Klimatisierung von Grossräumen sowie von Raumgruppen mit

gleichmässig variierenden Lasten. Konstant unterschiedliche Lasten in

den einzelnen Räumen oder Zonen können nur durch Anpassung der

Luftmengen bei der Inbetriebsetzung ausgeglichen werden.

Fig. 6-39 Einkanal-Anlage ohne Zonen-Nachbehandlung

1 Aussenluft 5 Raum oder Zone

2 Fortluft 6 Umluft

3 Zuluft 7 Zentrale Luftaufbereitung

4 Abluft

6.3.1 Nur-Luft-Systeme

6.3.1.1 Einkanal-Anlage ohne

Zonen-Nachbehandlung

174

Bei dieser Anlage (Fig. 6-40 und Fig. 6-41) wird die in einer Zentrale auf-

bereitete Zuluft durch ein Einkanal-System zu den zu klimatisierenden

Räumen oder Zonen geführt. Das Luftkanalsystem kann entweder für

Nieder- oder Hochgeschwindigkeit ausgelegt sein. Im letzteren Fall wer-

den vor dem Luftaustritt in die Räume oder Zonen Entspannungskästen

angebracht.

Die in der Zentrale vorbehandelte Zuluft wird für jeden Raum oder jede

Zone entsprechend dem gewünschten Raumluftzustand nachbehan-

delt. Diese Nachbehandlung kann die Funktionen Nachwärmen, Nach-

kühlen, Nachentfeuchten oder Nachbefeuchten beinhalten. In der Praxis

beschränkt sich die Nachbehandlung jedoch meistens auf die Nachwär-

mung.

In Einkanal-Anlagen mit terminaler Zonen-Nachbehandlung (Fig. 6-40)

erfolgt die Nachbehandlung nahe bei den Zonen. Dies bedeutet, dass

die Energieträger-Leitungen mit Warmwasser, Kaltwasser oder Dampf

im ganzen Gebäude verlegt werden müssen.

Fig. 6-40 Einkanal-Anlage mit terminaler Zonen-Nachbehandlung

1 Aussenluft 7 Zentrale Luftaufbereitung

2 Fortluft 8 Luftkanal

3 Zuluft 9 Heizregister als Nachbehandlungseinheit

4 Abluft 10 Kühlregister als Nachbehandlungseinheit

5 Raum 11 Raum mit Fremdwärmeanfall

6 Umluft

In Einkanal-Anlagen mit zentraler Zonen-Nachbehandlung (Fig. 6-41)

erfolgt die Nachbehandlung unmittelbar nach der Zentrale. Die Warm-

wasser-, Kaltwasser- oder Dampfleitungen müssen deshalb nur im Tech-

nikraum verlegt werden. Dafür müssen die Luftkanäle zu den Zonen

wärmegedämmt werden, damit die in der Nachbehandlung zugeführte

Energie unterwegs nicht wieder verloren geht.

6.3.1.2 Einkanal-Anlage mit

Zonen-Nachbehandlung

175

Fig. 6-41 Einkanal-Anlage mit zentraler Zonen-Nachbehandlung

1 Aussenluft 8 Kühler

2 Fortluft 9 Befeuchter

3 Zuluft 10 Nachwärmer

4 Abluft 11 Ventilator

5 Umluft 12 Nachbehandlungsgerät (Nachwärmer)

6 Filter 13 Zonenventil

7 Vorwärmer

Bei den Nachbehandlungsgeräten handelt es sich um normale Rippen-

rohr-Wärmeübertrager und Luftbefeuchter wie sie im Kapitel 6.2 behan-

delt wurden. Beim Befeuchter hängt die Typenauswahl massgeblich

vom Einbauort ab. Wird er im Technikraum in den Zonenkanal einge-

baut, so können alle Arten verwendet werden, da alle notwendigen Zu-

und Ableitungen ohne grosse Schwierigkeiten installiert werden kön-

nen. Beim terminalen Einbau vor der Zone kommen meistens nur noch

Dampfluftbefeuchter in Frage.

Diese Anlagen finden für Gebäude mit beschränkter Zonenzahl, jedoch

relativ grossen Zonenflächen und damit grossem Zuluft-Volumenstrom

(> 1500 m3/h) Anwendung.

Für eine feinere Zoneneinteilung ist das System, infolge des hohen

Platzbedarfs für Kanäle, schlecht geeignet. Aus dem gleichen Grund

dürfen die Zonen nicht zu weit auseinander oder von der Zentrale ent-

fernt liegen. Um Energieverschwendung zu vermeiden, sollten gleich-

zeitig die erforderlichen Zulufttemperaturen der einzelnen Zonen nicht

zu stark voneinander abweichen.

Für Gebäude mit wenigen Zonen aber relativ hohem Luftmengenbedarf

(z.B. Einkaufszentren oder Konferenzsäle in Hotels) und unterschiedlich

anfallenden Heiz- und Kühllasten pro Zone eignet sich die Mehrzonen-

anlage (Fig. 6-42). In der Zentrale erfolgt zuerst die Aussenluft-/Umluft-

Mischung, die Filterung und die Vorwärmung der gesamten Zuluftmen-

ge. Nach dem Zuluftventilator wird der Zuluftstrom in zwei Teilströme

aufgeteilt (Fig. 6-43). Ein Teilstrom wird durch den Nachwärmer, der

andere durch den Kühler geblasen. In den anschliessenden Zonenklap-

pen wird durch Mischen von Kalt- und Warmluft die individuell erforder-

liche Zulufttemperatur für jede Zone gemischt. Die Zonenklappen sind

vertikal angeordnet und je eine Kalt- und Warmluftklappe sitzt auf der

gemeinsamen Klappenachse. Die Kaltluft- ist gegenüber der Warmluft-

klappe um einen Winkel von 90 ° verdreht, so dass bei geschlossener

Kaltluft- die Warmluftklappe ganz geöffnet ist. Die Aufteilung der Zuluft-

menge auf die einzelnen Zonen erfolgt durch Zuordnung der relativen

Anzahl Zonenklappen.

6.3.1.3 Mehrzonen-Anlage mit

Mehrzonenzentrale

176

Fig. 6-42 Mehrzonen-Anlage

1 Aussenluft 3 Zuluftkanäle (Niederdruck)

2 Mehrzonenzentrale 4…6 Verschiedene Zonen

Fig. 6-43 Funktionsweise einer Mehrzonen-Anlage

1 Aussenluft 7 Ventilator

2 Umluft 8 Luftkühler

3 Minimum-Aussenluftkanal 9 Lufterhitzer

4 Minimum-Aussenluftkühler 1a Zonenklappen

5 Filter A Warmluft

6 Vorwärmer B Kaltluft

Der Nachwärmer wird immer oben und der Kühler unten platziert, damit

eventuell ausgeschiedenes Kondenswasser nicht mit dem Nachwärmer

in Berührung kommen und so nicht wieder verdampfen kann.

Mehrzonen-Anlagen werden als Niedergeschwindigkeits-Anlagen

gebaut. Die Kanäle werden deshalb relativ voluminös und sollten des-

halb nicht über grosse Distanzen geführt werden müssen. Auch bezüg-

lich Heiz- und Kühlenergieverbrauch (Mischungs-Verluste) ist es vorteil-

haft, wenn die Zulufttemperaturen für die einzelnen Zonen nur geringe

Unterschiede (< 5 K) aufweisen.

Die Bezeichnung «Zweikanal» bezieht sich auf zwei Zuluftkanäle, näm-

lich ein Warm- und ein Kaltluftkanal, die parallel zu jedem Raum geführt

werden (Fig. 6-44). Wie bei den Einkanal-Anlagen wird auch hier der

Abluftkanal nicht mitgezählt. Um den Platzbedarf dennoch möglichst

gering zu halten, wird das Luftkanalsystem in den meisten Fällen als

Hochgeschwindigkeitssystem ausgelegt. Die Entspannung der Luftströ-

me von Hoch- auf Niedergeschwindigkeit und die Mischung der Warm-

und Kaltluft im richtigen Verhältnis erfolgt in speziell dafür konstruierten

Mischkästen, die in den Räumen installiert sind. Das Mischverhältnis

wird durch den Raumtemperatur-Regler gesteuert.

6.3.1.4 Zweikanal-Anlagen

177

Fig. 6-44 Zweikanal Anlage mit Entfeuchtung des Gesamt-Zuluftstromes

1 Aussenluft 7 Zentrale Luftaufbereitung

2 Fortluft 8 Nachwärmer

3 Zuluft 9 Dampfbefeuchter

4 Abluft 10 Warmluftkanal

5 Raum 11 Kaltluftkanal

6 Luftklappen 12 Mischkasten

In den Anfangszeiten der Klimatechnik, als der Energieverbrauch noch

kein wichtiges Thema war, wurden die Warm- und Kaltluftkanäle noch

ganzjährig mit gleichbleibenden Temperaturen betrieben. Dadurch ent-

stand, insbesondere im Schwachlastbetrieb, ein unnötig hoher Energie-

verbrauch, weil Kühlenergie durch Wärmeenergie kompensiert werden

musste. Man erreichte beispielsweise in der Mischkammer der Klima-

zentrale eine Mischtemperatur von 20 °C, kühlte anschliessend die eine

Hälfte der Zuluft auf 10 °C und erwärmte die andere Hälfte auf 30 °C,

um dann anschliessend die beiden Luftströme in den Mischboxen wie-

der auf ca. 20 °C zu mischen!

Als dann der Energieverbrauch zum wichtigen Thema wurde, kamen die

Planer solange von der Zweikanal-Technik ab, bis die Steuer- und Regel-

technik den unnötigen Energieverbrauch dieser sonst komfortablen

Lösung in den Griff bekam. Die Zulufttemperatur-Sollwerte bleiben heu-

te nicht mehr konstant, sondern die Warmlufttemperatur entspricht

dem jeweils höchsten und die Kaltlufttemperatur dem jeweils tiefsten

Zulufttemperatur-Sollwert aller angeschlossenen Raumtemperatur-Reg-

ler. Die moderne Digitaltechnik ermöglicht, diese aktuellen Werte über

einen Gebäudebus abzufragen und daraus den jeweiligen Maximal- und

Minimalwert auszuwählen. Dadurch lassen sich die Mischverluste ver-

ringern. Räume mit maximaler Kühllast erhalten nur Kaltluft, solche mit

maximaler Heizlast nur Warmluft und Räume mit Teillast ein Gemisch

von Kalt- und Warmluft.

Die Luft für den Kaltluftkanal wird in der Zentrale auf die erforderliche

Temperatur gebracht und entfeuchtet, diejenige für den Warmluftkanal

geheizt und eventuell befeuchtet. Die Anordnung des Luftkühlers

gemäss Fig. 6-44 ermöglicht eine geregelte Entfeuchtung des Gesamt-

Zuluftstroms. Zusammen mit der Dampfbefeuchtung im Warmluftkanal

ergibt diese Anordnung eine Vollklimaanlage mit Raumtemperatur- und

Feuchteregelung. Dieser Komfort muss jedoch mit relativ hohem Ener-

gieverbrauch für das Entfeuchten und anschließende Nachwärmen der

Zuluft bezahlt werden und wird deshalb nur noch in speziellen Fällen

zugelassen. Die Anordnung gemäss Fig. 6-45 mit nur teilweiser, unkon-

trollierter Entfeuchtung durch Wasserausscheidung aus dem Kaltluft-

strom, entspricht deshalb der Standardlösung für normale Komfortan-

sprüche.178

Fig. 6-45 Zweikanal-Anlage mit Teil-Entfeuchtung der Zuluft

1 Aussenluft 9 Zuluftventilator

2 Fortluft 10 Nachwärmer

3 Zuluft 11 Kühler

4 Abluft 12 Warmluftkanal

5 Luftklappen 13 Kaltluftkanal

6 Filter 14 Mischbox

7 Vorwärmer 15 Abluftventilator

8 Befeuchter

Die Mischkästen sind für Zwischendecken- oder Unterfensterinstal-

lation gebaut. Als Luftauslässe dienen normale Ausblasgitter oder

Deckendiffusoren.

Fig. 6-46 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Zweikanal-Mischkastens.

Die Mischkästen sind gleichzeitig Entspannungsgeräte, die mit einer

Luftmischeinrichtung (Ventile oder Klappen) sowie schalldämpfenden

Elementen ausgerüstet sind. Ferner enthalten sie einen mechanischen

Volumenstrom-Regler, der den Zuluft-Volumenstrom – auch bei Druck-

schwankungen in den Zuluftkanälen – konstant hält. Mischkästen mit

variablem Kaltluft-Volumenstrom sind ebenfalls erhältlich (Fig. 6-47).

Fig. 6-46 Aufbau eines Fig. 6-47 Zweikanal-Mischkasten mit

Zweikanal-Mischkastens variabler Kaltluft-Volumen-

strom-Regelung

1 Kaltluft 1 Kaltluft

2 Warmluft 2 Warmluft

3 Mischventil (Mischklappe) 3 Mischventil (Mischklappe)

4 Konstant-Volumenstrom-Regelung 4 Konstant-Volumenstrom-Regler (50 %)

5 Zuluft 5 Kaltluft-Volumenstrom-Regler (bis100 %)

T Temperaturfühler 6 Zuluft

T Temperaturfühler

M Antriebsmotor

179

Das VVS-System ist grundsätzlich ein Kühlsystem und muss deshalb für

den Heizbetrieb mit einem geeigneten Heizsystem (Radiatorheizung

oder Bodenheizung) kombiniert werden. Die gesamte Kühlleistung wird

durch die Zuluft erbracht. Die Zulufttemperatur bleibt dabei konstant

und die Raumtemperatur wird durch Variieren des Zuluft-Volumenstro-

mes geregelt. Eine Aufteilung des Gebäudes in Zonen erübrigt sich,

denn der Zuluft-Volumenstrom kann in jedem Raum individuell an die

sensible Kühllast angepasst werden. In einem Gebäude mit gegen alle

vier Himmelsrichtungen exponierten Räume stellt die Sonnenstrahlung

eine der Haupt-Kühllasten dar. Weil aber die Sonne von Osten nach

Westen um das Gebäude «herumwandert», fällt die maximale Kühllast

nicht in allen Räumen gleichzeitig an.

Die Kühlleistung ist proportional zum Zuluft-Volumenstrom. Daher wird

der maximal erforderliche Gesamt-Volumenstrom wesentlich kleiner als

die Summe der maximalen Zuluft-Volumenströme der einzelnen Räu-

me. Bei Verwendung geeigneter Luftauslässe kann zudem die Tempera-

turdifferenz zwischen Raum- und Zuluft gegenüber konventionellen

Anlagen wesentlich erhöht werden, was eine weitere Verringerung des

Zuluft-Volumenstromes ermöglicht.

Bei der in Fig. 6-48 dargestellten VVS-Anlage wird die zentral aufberei-

tete Zuluft durch ein Einkanalsystem den zu klimatisierenden Räumen

zugeführt. Das Luftkanalsystem wird normalerweise als Hochgeschwin-

digkeitssystem ausgelegt. Kleinere Anlagen können aber auch als

Niedergeschwindigkeitssysteme gebaut werden.

Fig. 6-48 Variable Volumenstrom-Anlage (VVS)

1 Aussenluft 6 Einzonen-Zentrale

2 Fortluft 7 VVS-Boxen (Zu- und Abluft)

3 Zuluft 8 Grundlastheizung

4 Abluft 9 Raum

5 Luftklappen

Obwohl die Vorteile des VVS-Systems gegenüber Nur-Luft-Systemen

mit konstantem Volumenstrom schon in der Anfangszeit der Klimatech-

nik erkannt wurden, scheute man früher den Aufwand, die gleichmässi-

ge Zuluftverteilung – auch bei variabler Zuluftmenge – sicherzustellen.

Mit fix eingestellten Einblasöffnungen wie z.B. Lochdecken oder Gitter-

Luftauslässen war dies praktisch unmöglich. Es mussten erst spezielle

Luftauslässe mit eingebauter Luftmengenregelung entwickelt werden,

die auch zu einem erschwinglichen Preis erhältlich wurden. Grosse

Anstrengungen seitens der Regelgeräte-Hersteller und deren Entwick-

lungsteams führten schliesslich zum Ziel und damit zum Durchbruch

der VVS-Systemtechnik.

6.3.1.5 Variabel-Volumenstrom-Systeme

(VVS)

180

Fig. 6-49 VVS-Box mit aufgebautem Kompaktregler (Kombination aus

Volumenstromregler und Klappenantrieb; Quelle: Siemens)

Bei den bisher besprochenen Anlagearten, werden grosse Luftmengen

im Raum bewegt, was zu hohen Luftgeschwindigkeiten im Aufenthalts-

bereich führt. Mit der Quell-Lüftung können die immer höheren Anfor-

derungen an die Lüftungsanlagen bezüglich Zugfreiheit, Wärme- und

Schadstoffabfuhr weitgehend abgedeckt werden.

Bei der Quell-Lüftung wird die aufbereitete Luft mit einer – gegenüber

der Raumtemperatur – geringen Untertemperatur im Bodenbereich

laminar oder turbulenzarm eingeblasen (Fig. 6-50). Die Zulufttemperatur

sollte einerseits im Maximum 1 … 3 K in Büros, (in Fabriken bis zu 8 K),

tiefer liegen als die Raumtemperatur, anderseits einen Wert von 21 °C

in Büros bzw. 17 °C in Industrieräumen nicht unterschreiten (unbehagli-

che Fusskälte). Die Austrittsgeschwindigkeit beträgt ca. 0.2 m/s im

Bürobereich und bis 0.6 m/s bei anderen Anwendungen. Somit bildet

sich in der Aufenthaltszone ein sogenannter «Kaltluftsee». Die thermi-

schen Auftriebskräfte an Personen und Geräten sorgen dann dafür, dass

die Luft nach oben in den Deckenbereich steigt, wo sie wieder abge-

saugt wird. Durch die Tatsache, dass Kaltluft nur im Bereich von Wärme-

quellen nach oben strömt, wird die Wärme und die stoffliche Belastung

direkt dort abgeführt, wo sie auftritt und nicht im ganzen Raum verteilt.

Dadurch kann eine hohe Luftqualität mit relativ kleinen Luftmengen

erzielt werden (’höhere Lüftungseffektivität). Die übliche Luftwechsel-

zahl liegt dabei zwischen 1 … 4 h–1.

Das oben beschriebene Lüftungsprinzip funktioniert nur mit kühler

Zuluft. Quell-Lüftungen sind nicht zur Raumheizung geeignet, weil die

warme Luft unmittelbar am Auslass nach oben steigen würde. Es ist

also eine statische Heizung mit Radiatoren oder Konvektoren unter dem

Fenster erforderlich. Diese Heizung erlaubt auch die Grundlastheizung,

wenn die Klimaanlage ausgeschaltet ist.

Um den thermischen Komfort in den Aufenthaltszonen zu gewährlei-

sten, muss auch ein gewisser Abstand von den Auslässen eingehalten

werden (vgl. 3 in Fig. 6-50).

6.3.2 Luft-Wasser-Systeme

6.3.2.1 Quell-Lüftung

Zulufttemperatur wenig tiefer als

Raumtemperatur

Statische Heizung notwendig

181

Fig. 6-50 Prinzip,Temperaturen und Luftgeschwindigkeiten der Quell-Lüftung

1 Quellluft-Auslass 3 Nahzone

2 Abluftkanal

Mit der geringen Untertemperatur von 1 … 3 K der Zuluft gegenüber

der Raumtemperatur sind die abführbaren Kühllasten gering. Daher

müssen Quell-Lüftungen mit zusätzlichen Kühlflächen, z.B. Kühldecken,

im Raum kombiniert werden.

Quell-Luftsysteme eignen sich besonders für Räume, in denen keine

stark unterschiedlichen Lasten vorhanden sind oder wenn die Luftqua-

lität eine wesentliche Rolle spielt (Industrie- und Sporthallen, Hotels,

Theater, Schulen, Restaurants). Sie werden – besonders in Verbindung

mit Kühldecken – hohen Komfortansprüchen gerecht.

Mit der Luft, die ja ein schlechter Kälteträger ist, kann oft nicht genü-

gend Kühlenergie in den Raum gebracht werden, weil nicht mit beliebig

tiefen Lufttemperaturen eingeblasen werden kann. Daher kombiniert

man sehr oft eine Klimaanlage und statische Kühlelemente. Die Klima-

anlage hat dabei hauptsächlich die Aufgabe, die verbrauchte Raumluft

zu erneuern. Die statischen Kühlelemente, die an der Decke montiert

oder in diese eingebaut sind (daher der Name Kühldecke), kühlen den

Raum auf die gewünschte Temperatur mit Wasser als Kälteträger. Die

Mechanismen, die fühlbare Wärme abführen, sind Wärmestrahlung (von

allen mit der Decke in Sichtkontakt stehenden wärmeren Flächen) und

Wärmekonvektion (Luft, die an der Decke abgekühlt wird und nach

unten fällt).

Bei geschlossenen Decken ist die Aufteilung etwa 60 % Strahlung und

40 % Konvektion – man nennt diese deshalb Strahlungs-Kühldecken. Es

gibt auch andere Systeme, bei denen der konvektive Anteil überwiegt,

die als Konvektions-Kühldecken oder -elemente bezeichnet werden.

Handelsübliche Strahlungs-Kühldecken bieten heute eine Kühlleistung

von bis zu 125 W/m2, Konvektions-Kühlelemente gar bis zu 160 W/m2.

Nur geringe Kühllasten abführbar

Einsatzbereiche

6.3.2.2 Kühldecken

Strahlungs-Kühldecke

Konvektions-Kühldecke

182

Die Leistungsgrenze ist bei Kühldecken durch die Kaltwasser-Vorlauf-

temperatur (üblich ca. 15 °C … 16 °C) gegeben. An Kaltwasserleitun-

gen, wie auch an jeder Stelle der Kühldecke selbst, darf derTaupunkt

der Raumluft niemals unterschritten werden. Kondensatbildung wird

dann mit Sicherheit vermieden. Durch Taupunktfühler an der Kaltwas-

servorlaufleitung wird im Falle einer Gefahr derTaupunktunterschreitung

entweder

– die Kaltwasserleitung mittels Motor-Ventil abgesperrt oder

– mittels Regelventil die Kaltwasser-Vorlauftemperatur durch Rücklauf-

beimischung angehoben.

In Gebäuden mit Kühldecken, können die Fenster meistens nicht ge-

öffnet werden, weil sonst die Problematik derTaupunktunterschreitung

vermehrt auftreten kann.

Fig. 6-51 Kühldecken-Elemente

Das klassische, im Komfort-Klimabereich am meisten angewandte Luft-

Wasser-System ist das «Fan-Coil-System». «Fan» heisst in Deutsch

«Ventilator» und mit dem englischen Wort «Coil» wird der Rippenrohr-

Wärmeübertrager bezeichnet. Diese Ventilator-Wärmeübertrager-Kombi-

nation ist auf dem Markt als kompaktes Truhengerät erhältlich, das

ausserdem noch ein Umluft-Filter sowie die Steuer- und Regelgeräte

enthält.

Dieses sogenannte «Fan-Coil-Gerät» (Fig. 6-52) wird an eine beliebige

Wand des Raumes montiert und an das Kalt- und Warmwassernetz,

sowie an das elektrische Stromversorgungsnetz angeschlossen. Der

eingebaute Ventilator saugt die Raumluft an und bläst sie über den Wär-

meübertrager (wo sie erwärmt wird) und das Zuluftgitter (4 in Fig. 6-52)

wieder aus. Wird das Gerät an einer Aussenwand platziert, kann durch

eine Öffnung mit Hand-Einstellklappe, auch ein kleiner Aussenluft-Anteil

mitangesaugt und der Umluft beigemischt werden.

Kondensationsgefahr bei Taupunkt-

Unterschreitung

6.3.2.3 Fan-Coil Anlagen

(Ventilatorkonvektoren)

183

Fig. 6-52 a) Fan-Coil-Gerät mit seinen b) Fan-Coil-Gerät mit Aussenluftkasten

Komponenten

1 Steuer- und Regelorgane

2 Rippenrohr-Wärmeübertrager

3 Ventilator

4 Verstellbares Zuluftgitter

5 Fan-Coil-Gerät

6 Aussenluftkasten mit Luftklappe

7 Warm- oder Kaltwasser-Kreislauf

Fan-Coil-Anlagen können vorteilhaft mit einer Wasser/Wasser-Wärme-

pumpe betrieben werden, wobei der Kondensator die Wärme für den

Heizkreis und der Verdampfer die Kälte für den Kühlkreis erzeugt. Eine

solche Kombination beinhaltet auch eine optimale Wärmerückgewin-

nung zwischen Heiz- und Kühlkreis. Der für den Wärmepumpenbetrieb

erforderliche Warmwasserspeicher kann ausserdem noch mit einem

Sonnenkollektor-Kreislauf kombiniert werden, weil relativ niedrige

Warmwasser-Vorlauftemperaturen für den Heizkreis ausreichen.

Fan-Coil-Geräte, die mit einem Direktverdampfer-Luftkühler ausgerüstet

sind, bilden den lufttechnischen Teil eines Split-Systems (vgl. 6.4.4). Für

den Heizbetrieb wird zusätzlich ein Warmwasser-Lufterhitzer oder – in

Ausnahmefällen – ein Elektro-Lufterhitzer eingebaut.

Fan-Coil-Anlagen sind ideale Luftheiz- und -kühlanlagen für Hotelzim-

mer. Im Heizbetrieb liefert eine aussentemperaturgeführte Zentralhei-

zung (Fussbodenheizung) die Grundlast d.h. die Raumtemperatur wird

im Sparbetrieb auf ca. 15 °C gehalten. Bei Umschaltung auf Komfort-

betrieb erreicht das Fan-Coil-Gerät innerhalb weniger Minuten die

gewünschte Komforttemperatur. In allen anderen Räumen bleiben die

Fan-Coil-Geräte ausser Betrieb.

Wird während der Nutzungszeit der klimatisierten Räume eines Gebäu-

des ein ständiger Aussenluftanteil von mindestens 1 Luftwechsel/Stun-

de benötigt und kann dieser nicht durch regelmässige Fensterlüftung

sichergestellt werden, so wird er – je nach Aussenluftzustand – zentral

erwärmt und evtl. befeuchtet oder gekühlt und evtl. entfeuchtet und

über ein Hoch- oder Niedergeschwindigkeits-Kanalsystem den einzel-

nen Räumen als sogenannte «Primärluft» zugeführt. In den Räumen

werden entweder Fan-Coil-Geräte oder Induktionsgeräte zur Erwär-

mung oder Kühlung der Raumluft platziert.

6.3.2.4 Fan-Coil-Anlagen mit Primärluft

und Induktionsanlagen

184

Die Primärluft wird über ein Hoch- oder Niedergeschwindigkeits-Kanal-

system im Gebäude verteilt und kann entweder in die Fan-Coil-Geräte

(Fig. 6-52), oder durch separate Luftauslässe, direkt in den Raum einge-

blasen werden (Fig. 6-53).

Fig. 6-53 Fan-Coil-Anlage mit Primärluftzufuhr über das Fan-Coil-Gerät

1 Aussenluft 6 Raum

2 Fortluft 7 Zentrale Primärluftaufbereitung

3 Zuluft 8 Heizkessel

4 Umluft 9 Kältemaschine

5 Fan-Coil-Gerät 10 Alternative Primärluftzuführung

Fig. 6-54 Fan-Coil-Anlage mit direkter Primärluftzufuhr zum Raum

1 Primärluft 5 Fan-Coil-Gerät

2 Fortluft 6 Aussenzone

3 Zuluft 7 Innenzone

4 Umluft

Im Falle eines Hochgeschwindigkeits-Kanalsystems muss der Luft-

strom, vor dem Einblasen in den Raum bzw. in das Fan-Coil-Gerät, auf

Niedergeschwindigkeit entspannt werden. Grundsätzlich wird die im

Raum oder in der entsprechenden Raumzone anfallende Heiz- oder

Kühllast durch das Wassersystem übernommen.

Die Primärluft kann jedoch die erforderliche Be- oder Entfeuchtung

übernehmen. Um die Raumtemperaturregelung nicht zu stören,

wird die Primärluft in der Regel mit einer konstanten Temperatur, die

normalerweise dem Heiz-Sollwert der Raumtemperatur entspricht,

eingeblasen.

Fan-Coil-Anlagen mit Primärluft

185

Die Induktionsanlage ist das typische und auch am meisten angewand-

te Luft-/Wasser-System. Sie eignet sich für den gleichen Anwendungs-

bereich wie die Fan-Coil-Anlage mit Primärluft. Die in den Räumen

platzierten Induktionsgeräte enthalten – wie die Fan-Coil-Geräte – die

erforderlichen Rippenrohr-Wärmeübertrager zum Erwärmen oder Küh-

len der Raumluft bzw. Sekundärluft. Die Induktionsgeräte benötigen

jedoch keine Ventilatoren. Die zentral aufbereitete Aussenluft wird als

Primärluft über ein Hochgeschwindigkeits-Kanalsystem im Gebäude

verteilt und den einzelnen Induktionsgeräten zugeführt (Fig. 6-54).

Anstelle eines Ventilators enthalten die Induktionsgeräte eine geräusch-

absorbierende Primärluft-Kammer mit aufgesetzten Kunststoffdüsen,

durch welche die Primärluft mit hoher Geschwindigkeit in eine Misch-

kammer ausgeblasen wird und dort Unterdruck erzeugt. Durch diesen

Unterdruck wird Raumluft als sog. «Sekundärluft» angesaugt (induziert)

und dabei durch die Rippenrohr-Wärmeübertrager geführt, wo sie nach

Bedarf erwärmt oder gekühlt wird (Fig. 6-55).

Je nach Bauart liegt das Induktionsverhältnis Primärluft/Sekundärluft

normalerweise zwischen 1:2 und 1:4.

Fig. 6-55 Induktionsanlage (Luft-/Wasser-System)

1 Aussenluft 6 Induktionsgerät

2 Fortluft 7 Zentrale Primärluftaufbereitung

3 Zuluft 8 Primärluftkanal

4 Umluft (Sekundärluft) 9 Heizkessel

5 Raum 10 Kältemaschine

Fig. 6-56 Induktionsgerät

1 Primärluft 4 Primärluft-Anschluss

2 Sekundärluft (Raumluft) 5 Induktionsdüsen

3 Zuluft 6 Wärmeübertrager

Induktionsanlagen

186

Die Wärmeübertrager werden, je nach Bedarf, mit Warm- oder Kaltwas-

ser versorgt. Die induzierte Sekundärluft nimmt im Wärmeübertrager

die erforderliche Sekundär-Heiz- oder Kühlleistung auf und vermischt

sich anschliessend mit der Primärluft. Das Gemisch von Sekundär- und

Primärluft wird schliesslich in den Raum ausgeblasen.

Weil der Primärluft-Volumenstrom nur dem erforderlichen Aussenluft-

anteil entspricht, können die Luftverteilkanäle für nur ca. 1/4 bis 1/5 des

Luft-Volumenstromes eines Nur-Luft-Systems dimensioniert werden.

Dies reduziert den Platzbedarf für das Kanalsystem entsprechend. Beim

Induktionssystem wird die Abluft normalerweise nicht direkt aus den

klimatisierten Räumen abgesaugt. Die gesamte, der Primärluftmenge

entsprechende Abluft wird aus Korridoren, Lagerräumen,Toiletten etc.

abgesaugt und geht als Fortluft ins Freie. Daraus ergibt sich in den kli-

matisierten Räumen ein leichter Überdruck, wodurch eine Vermischung

von Luft aus verschiedenen Räumen verhindert wird.

Wie bei der Fan-Coil-Anlage mit Primärluft wird die im Raum oder in der

entsprechenden Raumzone anfallende Heiz- oder Kühllast grundsätzlich

durch das Wassersystem übernommen. Die Primärluft kann jedoch die

erforderliche Be- oder Entfeuchtung übernehmen.

Um die Raumtemperaturregelung nicht zu stören, wird die Primärluft in

der Regel mit einer konstanten Temperatur, die normalerweise dem

Heiz-Sollwert der Raumtemperatur entspricht, eingeblasen.

Als Spezial-Ausführung einer Induktionsanlage kann das Kühldecken-

Induktionssystem bezeichnet werden.

Fig. 6-57 Kühldecken-Induktions-Gerät (System FAREX)

1 Primärluftkanal 4 Rippenrohr-Kühler

2 Primärluftdüsen 5 Zuluft

3 Sekundärluft

Die als Deckenelemente konstruierten Induktionsgeräte (Fig. 6-57)

übernehmen die Primärluftzufuhr und die Raumluft-Kühlung, während

die Raumheizung durch eine gewöhnliche Radiatoren- oder Konvekto-

renheizung übernommen wird. Man erreicht damit eine optimale Durch-

lüftung der Räume ohne Zugserscheinungen weil das System mit der

natürlichen Schwerkraft-Zirkulation der Raumluft funktioniert. Die im

Raum erwärmte und dadurch spezifisch leichtere Luft steigt zur Decke

auf, wird dort gekühlt, mit Primärluft vermischt und fällt wegen ihrer

nun höheren Dichte wieder nach unten.

Kühldecken-Induktionssystem

187

Die Zufuhr der erforderlichen Heiz- und Kühlenergie zu den Räumen

erfolgt ausschliesslich über Wasserkreisläufe. Das in der Energiezentra-

le aufbereitete Warm- bzw. Kaltwasser überträgt seine Heiz- bzw. Kühl-

energie in einem Fan-Coil (Ventilator-Konvektor) oder Induktionsgerät an

die Raumluft. Diese Systeme eignen sich also speziell für Räume, die

keine Zwangsbelüftung mit Aussenluft benötigen (z.B. Hotelzimmer mit

Fensterlüftung).

Bezüglich der Wasserkreisläufe unterscheidet man zwischen Zweileiter-,

Dreileiter- und Vierleiter-Systemen. Im Zweileiter-System (Fig. 6-58) kann

nur entweder geheizt oder gekühlt werden, weil der gleiche Wasser-

kreislauf sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlbetrieb genutzt wird.

Die Umschaltung («Change over») von Heiz- auf Kühlbetrieb erfolgt in

der Energieaufbereitungszentrale. In der Übergangszeit von Heiz- auf

Kühlbetrieb und umgekehrt, kann es bei diesem System Probleme

geben weil bei unterschiedlichem Wärmeanfall einzelne Räume geheizt

und andere gekühlt werden sollten.

Fig. 6-58 Wasser-Anschluss eines Fan-Coils, Zweileiter-System

1 Umluft 5 Heizkessel

2 Zuluft 6 Wasser-Kühlmaschine

3 Raumluftheiz- und -kühlgerät 7 Umschalt-Ventile («Change over»)

4 Raum

Das Dreileiter-System verfügt über je einen separaten Kalt- und Warm-

wasser-Vorlauf und einen gemeinsamen Rücklauf. Es löst so das Pro-

blem des gleichzeitigen Heiz- und Kühlbetriebes, verursacht jedoch

Energieverschwendung, weil im gemeinsamen Rücklauf enthaltene

Heizenergie in der Kältemaschine wieder abgekühlt und Kühlenergie im

Wärmeerzeuger wieder aufgeheizt werden muss.

Eine saubere Lösung für die vorgenannten Probleme bietet das Vier-

leiter-System mit zwei separaten Wasserkreisläufen für Heizen oder

Kühlen.

6.3.2.5 Wasserseitiger Anschluss von

Fan-Coil und Induktions-Anlagen

Zweileiter-System

Dreileiter-System

Vierleiter-System

188

Einzelraum-Kompakt-Klimageräte dienen zur Klimatisierung eines einzel-

nen Raumes und sind meistens direkt im betreffenden Raum platziert.

Ihre Hauptfunktion ist die sensible Kühlung der Raumluft. Entfeuchtung,

Heizung und Luftfilterung sind nur in beschränktem Masse und Be-

feuchtung ist überhaupt nicht möglich. Es handelt sich also hier um

«Teilklimageräte», die mit den erforderlichen Komponenten wie Kom-

pressor, Verdampfer, luft- oder wassergekühltem Kondensator, Ventila-

toren sowie den Regel-, Steuer- und Sicherheitsorganen ausgerüstet

sind. Sie werden als fertig zusammengebaute Einheiten geliefert und

deshalb auch als «stecker- oder anschlussfertige» Geräte bezeichnet.

Zu dieser Gruppe gehören:

– Fenster-Klimageräte

– Truhen-Klimageräte

– Schrank-Klimageräte

– Split-Klimageräte

Fig. 6-59 zeigt ein Fenster-Klimagerät mit seinen Komponenten. Das

Gerät wird normalerweise in eine Fensteröffnung installiert. Eine Instal-

lation «durch die Wand» ist ebenfalls möglich. Der Kälteleistungsbereich

dieser Geräte liegt etwa zwischen 1 kW und 10 kW. Als Zubehör sind

elektrische Lufterhitzer mit kleiner Leistung erhältlich. Aussenluftbeimi-

schung ist nur in beschränktem Mass möglich. Bei Fensterklimagerä-

ten, die Kühlung und Heizung ermöglichen (Wärmepumpengeräte),

erfolgt die Umschaltung von Kühl- auf Heizbetrieb durch Umkehr des

Kältemittelflusses mittels eines Vierwegventils. Dadurch werden die

Funktionen zwischen Verdampfer und Kondensator vertauscht.

Fig. 6-59 Fensterklimagerät

1 Aussenluft 9 Expansions-Ventil

2 Fortluft 10 Kältemittelleitung

3 Zuluft 11 Luftfilter

4 Umluft 12 Lüftungsgitter

5 Ventilatoren 13 Kondenswasser-Auffangblech

6 Verdampfer 14 Gehäuse

7 Kompressor 15 Fenster

8 Kondensator 16 Raum

6.4 Einzelraum-Kompakt-Klimageräte

6.4.1 Fenster-Klimageräte

189189

Die Raumluft wird durch einen Ventilator angesaugt, im Verdampfer

gekühlt und teilweise entfeuchtet und dann über ein Luftausblasgitter

wieder in den Raum zurückgeblasen. Der gewünschte Aussenluftanteil

kann mittels einer internen Klappe von Hand eingestellt werden. Ein

zweiter Ventilator saugt Aussenluft zur Kühlung des Kondensators an

und bläst diese anschliessend wieder ins Freie.

Das im Verdampfer aus der Raumluft ausgeschiedene Kondensat wird

entweder ins Freie abgeleitet oder auf den Kondensator gesprüht, wo

es verdampft. Es handelt sich also um eine Klein-Kompaktkälteanlage

mit vollhermetischem Kompressor und luftgekühltem Kondensator. Die

Thermodynamik des Kältekreislaufs ist im Kapitel 4 «Kältetechnik»

beschrieben.

Fig. 6-60 zeigt ein Truhenklimagerät mit seinen Komponenten. Das

Gerät kann anstelle eines Radiators unter dem Fenster fest eingebaut,

oder mobil auf Rollen im Raum platziert werden.Truhenklimageräte sind

für den gleichen Leistungsbereich wie Raumklimageräte erhältlich,

erfüllen die gleichen Funktionen und haben auch die gleichen Ein-

schränkungen.

Geräte mit eingebauten luftgekühlten Kondensatoren können nur an

einer Aussenwand montiert werden, da eine Öffnung in der Wand

zwecks Luftzufuhr zum Kondensator benötigt wird. Bei mobilen Gerä-

ten wird der luftgekühlte Kondensator im Freien platziert und die Kälte-

mittel-Verbindung mit dem Truhengerät über Schläuche hergestellt.

Geräte mit wassergekühltem Kondensator können mit fixen Wasseran-

schlüssen an einer Wand oder mit Wasserschläuchen auch mobil instal-

liert werden.

Elektro- oder Warmwasserlufterhitzer können als Zubehör in diese Gerä-

te eingebaut werden.Truhenklimageräte, die Kühlung und Heizung

ermöglichen, sind ebenfalls auf dem Markt. Die Umschaltung von Kühl-

auf Wärmepumpenbetrieb erfolgt auch hier durch Umkehr des Kältemit-

telflusses mittels eines VierwegventiIs.

Fig. 6-60 Truhenklimagerät

1 Motor-Verdichter 6 Verdampfer

2 Betriebskondensator 7 Raumthermostat

3 Kupfer-Nickel-Verflüssiger 8 Steuerung und Regelung

4 Hochdruck-/Niederdruck-Pressostat 9 Ventilator

5 Luftfilter 10 Einstellbares Luftaustrittsgitter

5 6 7 8 9 10

Funktionsweise

6.4.2 Truhenklimageräte

190

Der Bezeichnung entsprechend, handelt es sich hier um Geräte, bei

denen alle Komponenten in einem schrankförmigen Gehäuse unter-

gebracht sind. Schrankklimageräte sind anschlussfertig und für einen

Kälteleistungsbereich von etwa 10 bis 250 kW erhältlich. Für einfache

Anlagen können diese Geräte direkt und freiblasend im zu klimatisieren-

den Raum aufgestellt werden. Meistens werden sie jedoch in einem

Nebenraum installiert und an ein Kanalnetz angeschlossen, um

Geräuschprobleme zu vermeiden.

Elektro-Lufterhitzer sind als Zubehör erhältlich, und Befeuchtungsein-

richtungen können im Luftkanal untergebracht werden. Der Ventilator ist

so ausgelegt, dass der statische Druck zur Überwindung des Luftwider-

standes eines kurzen Niedergeschwindigkeits-Kanalnetzes ausreicht.

Schrankklimageräte sind meistens mit eingebauten, wassergekühlten

Kondensatoren ausgestattet. Varianten mit luftgekühlten Kondensatoren

sind ebenfalls erhältlich.

Dabei wird der luftgekühlte Kondensator nicht im Schrankgerät einge-

baut, sondern als separates Gerät im Freien platziert.

Der funktionelle Aufbau des Gerätes ist aus Fig. 6-61 ersichtlich. Er ent-

spricht im Prinzip demjenigen des Truhenklimagerätes.

Fig. 6-61 Funktioneller Aufbau eines Schrankklimagerätes

1 Aussenluft 10 Kältemittelleitung

2 Fortluft 11 Gehäuse

3 Zuluft 12 Lüftungsgitter

4 Umluft 13 Luftklappe

5 Ventilator 14 Luftfilter

6 Verdampfer 15 Elektro-Lufterhitzer

7 Kompressor 16 Aussenwand

8 Kondensator 17 Raum

9 Expansions-Ventil

6.4.3 Schrankklimageräte

(mit Kälteerzeugung)

191

Kleinere Klimaschränke können mit oder ohne Kanalnetz als Einzelraum-

geräte verwendet werden. Grössere Geräte bedienen dann meistens

eine Raumgruppe.Typische Anwendungsfälle sind Büros, Läden etc.

Als Sonderausführung können solche Schrankklimageräte auch zur Luft-

entfeuchtung in Schwimmbädern eingesetzt werden. Dabei wird die

Umluft zuerst im Direktverdampfer gekühlt, bzw. entfeuchtet und

anschliessend im eingebauten, luftgekühlten Kondensator wieder nach-

gewärmt.

Fig. 6-62 zeigt den funktionellen Aufbau eines Split-Klimagerätes mit

seinen Komponenten. Als Split-Klimageräte bezeichnet man Geräte, die

in einen kältetechnischen Teil, bestehend aus dem Kompressor und

dem luftgekühlten Kondensator und einen lufttechnischen Teil, beste-

hend aus dem Umluft-Ventilator und dem Direktverdampfer-Luftkühler,

unterteilt sind. Der kältetechnische Teil kann im Maschinenraum oder im

Freien, der lufttechnische Teil als Einzelraumgerät im Raum oder als zen-

trales Luftkühlgerät an einem Kanalsystem im Gebäude platziert wer-

den. Die beiden Teile werden durch Kältemittelleitungen miteinander

verbunden.

Der funktionelle Aufbau eines Split-Klimagerätes besteht prinzipiell aus

einem Kältemittel-Kreisprozess mit Kompressor, luftgekühltem Konden-

sator, Expansionsventil und Direktverdampfer-Luftkühler. Als Zusatz-

komponente im Umluftgerät könnte noch ein Lufterhitzer als Nachwär-

mer eingebaut werden, falls der Luftkühler auch zur Luftentfeuchtung

dienen muss.

Split-Klimageräte werden im Kälteleistungsbereich von ca. 10 bis 500

kW gebaut.

Fig. 6-62 Aufbau eines Split-Klimagerätes

1 Aussenluft (Lufteintritt) 8 Kondensator

2 Fortluft (Luftaustritt) 9 Expansionsventil

3 Zuluft 10 Kältemittelleitung

4 Umluft 11 Verflüssigersatz

5 Raum 12 Fan-Coil-Gerät

6 Verdampfer 13 Lüftungsgitter

7 Kompressor 14 Filter

Anwendung

6.4.4 Split-Klimageräte

192

In den letzten Jahren konnte der Energiebedarf bei Neubauten auf

Grund der verbesserten Isolation und Konstruktion der Gebäudehülle

laufend reduziert werden. Dies hat dazu geführt, dass der Anteil der

Lüftungsverluste am gesamten Wärmebedarf einen immer höheren

Anteil ausmacht.

Betrachtet man die Entwicklung des Heizwärmebedarfs von Wohn- und

Bürogebäuden, dann stellt man fest, dass die Senkung des Wärmebe-

darfs wesentlich durch die verbesserte Konstruktion der Gebäudehülle

(Isolation, Fenster, … ’Verringerung derTransmissionswärmeverluste)

erreicht wurde.

Der Anteil der Lüftungswärmeverluste am Wärmebedarf ist kontinuier-

lich gestiegen und erreicht heute oft die gleiche Grössenordnung wie

derTransmissions-Wärmebedarf.

Eine Reduzierung des Energieverbrauchs – wie er von Normen und Vor-

schriften in verschiedenen europäischen Ländern gefordert wird – kann

durch dichte Fenster und entsprechend gedämmtes Mauerwerk

erreicht werden. Wird jedoch die Sicherstellung des notwendigen Luft-

austausches versäumt, droht schlechte Luftqualität in den Räumen

durch Feuchte, Radon, organische Substanzen, Formaldehyd und ande-

ren Ausdünstungen aus Baumaterialien, Einrichtungsgegenständen

usw. Dies bedeutet einerseits eine Einschränkung des Wohlbefindens

der Bewohner, andererseits die Gefahr von Schäden am Bau, verursacht

in erster Linie durch Schimmelpilzbildung.

Die Fensterlüftung ist für ein hochgedämmtes Gebäude nicht nur unzu-

reichend, sondern macht auch alle Bemühungen zur Energieeinsparung

zunichte. Daher sollte der Einbau eines Lüftungssystems auf jeden Fall

in Betracht gezogen werden. Nur durch eine kontrollierte Lüftungsanla-

ge mit Wärmerückgewinnung kann der Lüftungswärmebedarf ohne die

Gefahr von Feuchtigkeitsschäden spürbar gesenkt werden.

Der Wohnkomfort wird durch den Einbau einer kontrollierten Woh-

nungslüftung verbessert weil

– die Aussenlärmbelästigung reduziert wird (keine offenen Fenster)

– die Aussenluft gefiltert wird und so von Schmutz, Staub, Ungeziefer

und Pollen gereinigt in die Wohnräume gelangt, was auch für Aller-

giker von Vorteil ist

Grundsätzlich können die folgenden mechanischen Wohnungslüftungs-

Systeme unterschieden werden:

• Einzelraumgeräte

• Einzellüftungsanlagen (für eine Wohneinheit)

• Zentrallüftungsgeräte für ganze Mehrfamilienhäuser

Diese Lüftungsgeräte sollten immer mit Wärmerückgewinnungseinhei-

ten ausgestattet sein, da sonst die geforderten Werte (Normen, Vor-

schriften) für den Lüftungswärmebedarf nicht erreicht werden können.

Ebenso ist bei diesen Lüftungsgeräten auf einen sparsamen Verbrauch

der elektrischen Energie zu achten, was mit Drehstrom-Motoren nicht

zu erreichen ist. Diese Geräte sind deshalb oft mit Gleichstrom- oder

EC-Motoren (elektronisch kommutierte Gleichstrom-Motoren) ausge-

stattet.

6.5 Kontrollierte Wohnraumlüftung

Lüftungswärmeverluste

haben heute hohen Anteil

an Gesamt-Wärmebedarf

Kontrollierte Wohnungslüftung

reduziert Lüftungswärmebedarf

6.5.1 Kontrollierte

Wohnungslüftungs-Systeme

Elektrischer Energieverbrauch

beachten

193

Einzelraumgeräte werden direkt in die Aussenwand oder die Fenster-

brüstung eingebaut. Sie bieten den Vorteil einer einfachen Installation

und führen dem Raum filtrierte Aussenluft zu, die über eine Wärme-

rückgewinnung von der Abluft vorgewärmt wird. Der mit dem Einzel-

gerät verbundene Geräuschpegel wird oft als nachteilig empfunden und

der mechanische Wirkungsgrad des Ventilators ist gering.

Fig. 6-63 Einzelraumgerät in Aussenwand eingebaut

Pro Wohneinheit wird eine separate Lüftungsanlage installiert. Die

Aussenluft wird gefiltert und über die Wärmerückgewinnung aufge-

wärmt, bevor sie den Wohn- und Schlafräumen zugeführt wird. Die

Abluft wird in den Nassräumen abgesaugt, wobei die «verbrauchte»

Luft überTürschlitze oder spezielle – in den Wohnungsdecken einge-

legte, schalldämmende – Überström-Einbauteile aus den Wohn- und

Schlafräumen nachströmt. Diese Anlagen sind oft mit 3-stufigen Venti-

latoren bestückt, die dem Benutzer erlauben, die zugeführte Luftmenge

den Bedürfnissen anzupassen. Bei dieser Lösung entsteht in den

Wohnräumen keine Geräuschbelästigung, da das Lüftungsgerät in der

Wohneinheit entsprechend günstig platziert werden kann. Der mecha-

nische Wirkungsgrad der Ventilatoren ist oft gering.

Es gibt auch Einzellüftungsanlagen, die mit einer Wärmepumpe be-

stückt sind. Damit kann die Wärme aus der Abluft zur Erwärmung des

Warmwassers genutzt werden.

Fig. 6-64 Einzellüftungsanlage

Bei Zentrallüftungsanlagen für Mehrfamilienhäuser wird die Luft zentral

aufbereitet und den einzelnen Wohneinheiten zugeführt. Dies hat einen

gewissen Platzbedarf für die Kanalführung zur Folge. Je nach Abrech-

nung der Heizkosten ist es auch notwendig, die Wärmerückgewinnung

dezentral, d.h. in den einzelnen Wohneinheiten zu platzieren, was die

Anlage komplexer macht und zu Mehrkosten führen kann.

Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass die Ventilatoren mit einem hohen

mechanischen Wirkungsgrad arbeiten.

Einzelraumgeräte

Einzellüftungsanlagen

(für eine Wohneinheit)

Zentrallüftungsanlagen für

Mehrfamilienhäuser

194

In Gebäuden mit Zentrallüftungsanlagen – aber auch mit Einzellüftungs-

anlagen – kann die Aussenluft über ein sogenanntes Erdregister geführt

werden. Dabei wir die Aussenluft durch Rohre geführt, die im Erdreich

verlegt sind. Im Winter wird die Aussenluft dadurch etwas vorgewärmt,

im Sommer etwas abgekühlt, was für eine minimale Kühlung der Wohn-

räume genutzt werden kann.

Die oben aufgeführten Arten der Wohnungslüftungs-Systeme brauchen

alle nicht sehr viel Wartung, einzig die Filter müssen regelmässig ausge-

wechselt werden. Dies hat sich in der Praxis vor allem bei Einzelraum-

geräten und Einzelanlagen als etwas problematisch erwiesen, weil das

nicht alle Benutzer regelmässig machen. Bei einer Zentrallüftungsanlage

kann dies durch den Anlagebetreiber vorgenommen werden.

Aussenluftfassung über Erdregister

Wartung der Wohnungs-

Lüftungsanlagen

195

Wie der Name Mess-, Steuer- und Regeltechnik (MSR-Technik) schon

aussagt, werden in diesem Kapitel die Themen Messen, Steuern und

Regeln behandelt. Durch die Entwicklung der Gebäudeautomation mit

digitaler Steuer- und Regeltechnik (DDC-Technik, Direct Digital Control)

hat dieses Thema eine neue und wichtige Bedeutung erlangt. Beim

heutigen Entwicklungsstand und Marktpotential der Gebäudeautoma-

tion drängt sich ein eigenständiger, fachübergreifender Planungsbereich

für die MSR-Technik und die Gebäudeautomation auf, weshalb nun

immer mehr MSR-Planer ihre Dienstleistungen zur Planung der Steue-

rung, Regelung, Betriebsführung und Energieverbrauchs-Optimierung

der gesamten gebäudetechnischen Anlagen anbieten.

Die Zusammenhänge der MSR-Technik sind in den folgenden

DIN Vorschriften definiert:

• DIN 19226

• VDI

• ISO

In diesem Kapitel werden die Basisdefinitionen und Funktionen

erläutert, zum weiteren Studium der Regeltechnik empfehlen wir das

computer-basierte Training (CBT) «Regeltechnik in HLK-Anlagen» von

Siemens Building Technologies, welches sehr gut als Selbstlernmodul

geeignet ist.

Für den Bezug des Selbstlernprogramms wenden Sie sich bitte an Ihren

lokalen Ansprechpartner (Verkauf oder Training) von Siemens Building

Technologies.

Regeltechnik in HLK-Anlagen

Theorie +Training

Einführung ins Training

Warum Regeltechnik?

Einführung in Regeln und Steuern

Statisches Verhalten einer Strecke

Dynamik vor Einspeicherstrecken

P-Regler

Geschlossener Regelkreis

PI-Regler

Dynamik von Mehrspeicherstrecken

PID-Regler

Regler und Stellantrieb

Steuerfunktionen für Regelkreise

Spezielle Anwendungen

Test

Info Lexikon Symbole Werkzeuge

Bitte wählen Sie ein Modul.

7.1 Einleitung

Selbstlernprogramm

«Regeltechnik in HLK-Anlagen»

7. Mess-, Steuer- und Regeltechnik

196

Der Begriff «Messtechnik» definiert die Gesamtheit der Verfahren und

Geräte zur empirischen Bestimmung (Messung) zahlenmässig erfass-

barer Grössen in Wissenschaft und Technik. Aufgaben der Messtechnik

sind ausserdem die Überprüfung der Einhaltung von Masstoleranzen,

Verbrauchszählung, Produktionsüberwachung, sowie allgemein (im Rah-

men der Mess- und Regeltechnik) die Steuerung technischer Vorgänge

durch Regelung nach Messwerten.

Von den Anfängen des Messens, wo erste Versuche einer Längen- und

Zeitdefinition gemacht wurden, bis zu den mechanischen und elektroni-

schen Messgeräten, ist es ein langer und mühsamer Weg, verbunden

mit Tausenden von Jahren Kulturgeschichte der Menschheit.

Das präzise Messen von physikalischen Grössen ist im Zeitalter der

Gebäudeautomation und Facility Management (Bewirtschaftung,

Betrieb und Instandhaltung von Gebäuden) von grosser Bedeutung.

Entscheidungen für Veränderungen oder Aussagen zu Energiever-

brauchszahlen und Gebäudeunterhaltskosten sind von der Genauigkeit

der erfassten Messwerte abhängig. Exakte Messwerterfassung hat im

Regelkreis einen hohen Stellenwert für die Genauigkeit und Stabilität

des Regelergebnisses. Die Auswahl der richtigen Messeinrichtung ist

entscheidend für ein richtiges Messergebnis, das richtige (zuverlässige)

Messergebnis wiederum ist wichtig für eine aussagekräftige Beurtei-

lung.

Die Grundbegriffe der Messtechnik sind in den Normen DIN 1319 und

VDI/VDE26000, Blatt 2 definiert.

Durch das Internationale Einheitensystem SI (Système International

d’Unité), wie wir es heute kennen, wurde eine übersichtliche Ordnung

bezüglich der Masseinheiten geschaffen:

Die sieben Basiseinheiten des SI-Systems

Messen heisst, eine physikalische Grösse (Messgrösse) wie Tempera-

tur, Feuchte, Druck etc. durch eine geeignete Messeinrichtung erfassen

und als bekannte, vergleichbare Grösse anzeigen oder in ein Normsig-

nal DC 0…10 V , 0…20 mA umwandeln. Ein solches Normsignal kann

als Messwert auf einem Messwert-Schreiber aufgezeichnet, auf einem

Fernanzeigegerät angezeigt oder in ein Messdaten-Erfassungssystem

eingelesen werden.

Grösse Einheit Zeichen

Temperatur Kelvin K

Länge Meter m

Zeit Sekunde s

Stromstärke Ampère A

Masse Kilogramm kg

Lichtstärke Candela cd

Stoffmenge Mol mol

7.2 Das Messen

Basiseinheiten

197

Fig. 7-1 Prinzipieller Vorgang des Messens (Wheatstone’sche-Brückenschaltung)

T Temperaturfühler D Messgerät (Messeinrichtung)

R1 Messelement (Messgrösse) N Spannungsquelle

Rj Abgleichwiderstand

(Kompensation von Leitungsverlusten)

Ein Stall (Fig. 7-2) soll so belüftet werden, dass mit sinkender Aussen-

temperatur immer mehr Umluft beigemischt und die Aussenluftmenge

entsprechend reduziert wird. Eine automatische Steuerung könnte hier

die Aufgabe übernehmen, bei sinkender Aussentemperatur den Aus-

senluftkanal mit der Aussen-/Umluftklappe mehr und mehr zu schlies-

sen.

Das Steuergerät (2) müsste in diesem Falle die Einstellung der Klappe

anhand des Aussentemperatur-Messwertes (1) berechnen und den ent-

sprechenden Steuerbefehl an den Stellantrieb der Aussenluft-/Umluft-

klappe (3) senden.

Fig. 7-2 Beispiel einer automatischen Steuerung

1 Aussentemperaturfühler 4 Ventilator

2 Steuergerät 5 Raumtemperatur

3 Aussenluft-/Umluftklappe z Störgrössen (z.B. Sonne, Wind, ...)

Das Steuergerät (2) richtet sich dabei nur nach der Aussentemperatur

(1) und erhält keine Rückmeldung der aktuellen Raumtemperatur (5).

Bei einer bestimmten Raumtemperatur wird also die Aussenluft-/Um-

luftklappe (3) genau gleich eingestellt, unabhängig davon, ob die Sonne

in den Raum strahlt oder nicht oder ob sich viele oder wenige Tiere dort

aufhalten. Mit dieser Steuerung lässt sich demnach die Raumtempera-

tur nicht auf einem konstanten Wert, sondern nur in einem bestimmten

Bereich halten.

+−N

T

R1

Rj

D

∼

7.3 Das Steuern

198

Eine oder mehrere Eingangsgrössen beeinflussen (ohne Rückführung)

in einem offenen Wirkungsablauf andere Grössen als Ausgangsgrös-

sen, aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmässigkeiten.

Einrichtung zur aufgabenmässigen Beeinflussung der Steuerstrecke.

Diejenige physikalische Grösse, die in der Steuerstrecke durch die

Steuerung beeinflusst wird (Temperatur, Feuchtigkeit usw.).

Eine oder mehrere Eingangsgrössen beeinflussen (ohne Rückführung)

in einem offenen Wirkungsablauf andere Grössen als Ausgangsgrös-

sen, aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmässigkeiten.

Der aufgabenmässig durch die Steuerung zu beeinflussende Teil der

Anlage.

Regelungsvorgänge kommen nicht nur in derTechnik, sondern auch in

der Natur und in unserem täglichen Leben vor. Ausgangssituation ist

dabei immer ein bestimmter Wunsch- oder Soll-Zustand der mit dem

aktuellen Ist-Zustand verglichen wird. Stellt man dabei keinen Unter-

schied fest, ist man zufrieden und sieht keine Veranlassung, etwas zur

Änderung des Ist-Zustandes zu unternehmen. Besteht jedoch ein

Unterschied, sucht man nach Möglichkeiten, diesen zu beseitigen.

Ein Mensch, der sich in einem Raum aufhält (Fig. 7-3), wünscht sich

eine Raumtemperatur von 20 °C und stellt mit Hilfe eines Thermome-

ters fest, dass die aktuelle Raumtemperatur 24 °C beträgt.

Das Problem besteht nun in der Abweichung der Ist-Temperatur

(x = 24 °C) von der Wunsch- bzw. Soll-Temperatur (w = 20 °C).

Diese Abweichung beträgt hier

x – w = 24 °C – 20 °C = + 4 K (Kelvin). Um die zu hohe Raumtempera-

tur auf den gewünschten Wert von 20 °C korrigieren zu können, braucht

der Mensch einerseits die Möglichkeit, mit Hilfe des Handventils die

Wärmeabgabe des Radiators zu reduzieren und andererseits die Intelli-

genz zu wissen, ob er das Ventil öffnen oder schliessen muss. Nach-

dem er es etwas zugedreht hat, wird er das Thermometer beobachten

und von Zeit zu Zeit weiter am Radiatorventil drehen, bis die gewünsch-

ten 20 °C erreicht sind.

7.3.1 Fachbegriffe Steuern

Steuerung

Steuereinrichtung

Steuergrösse

Steuern

Steuerstrecke

7.4 Das Regeln

Beispiel

199

Fig. 7-3 Beispiel einer Handregelung

w Wunschtemperatur (z.B. 20 °C) y Handventil zur Beeinflussung

x Raumtemperatur-Anzeige der Wärmeabgabe

(z.B.Thermometer 24 °C) z Störgrössen (z.B. Sonne, Wind, ...)

Dieser von einem Menschen ausgeführte Regelvorgang (Fig. 7-4) stellt

einen geschlossenen Wirkkreis dar: Der Mensch liest am Thermometer

die Raumtemperatur x ab, vergleicht sie mit dem im Kopf gespeicher-

ten Wunsch w, stellt eine Abweichung fest und überlegt wie er diese

korrigieren kann. Er führt dann die Korrektur der Ventilstellung y aus, die

Raumtemperatur ändert sich und kann wieder neu abgelesen werden.

Der Regeltechniker spricht hier von einer «Handregelung».

Fig. 7-4 Funktion der Regelung (Vergleich von Ist- und Sollwert)

Bei der automatischen Regelung (Fig. 7-5) werden die Tätigkeiten Mes-

sen, Vergleichen und Korrigieren durch eine sogenannte Regeleinrich-

tung ausgeführt. Ein Fühler (1) misst die Raumtemperatur x und über-

mittelt sie dem Regelgerät (2). Das Regelgerät vergleicht den Mess-

wert mit dem eingestellten Sollwert w und sendet dem Heizkörperven-

til (3) das entsprechende Stellsignal yR. Die Ventilverstellung bewirkt

eine Änderung der Raumtemperatur, die vom Fühler erfasst wird. Damit

ist der Wirkkreis wieder geschlossen.

Handregelung

Automatische Regelung

200

Fig. 7-5 Beispiel einer automatischen Regelung

1 Raumtemperaturfühler 3 Heizkörperventil

2 Regelgerät z Störgrössen (z.B. Sonne, Wind, ...)

Im Regelkreis wird jede Regelabweichung vom Raumtemperatur-Fühler

(1) erfasst. Steigt also die Raumtemperatur durch sogenannte Störgrös-

sen (z) wie Sonneneinstrahlung, Wind oder auch rauminterne Lasten

verursacht durch Elektrogeräte oder zusätzliche Personen an, wird das

Heizventil soweit geschlossen, bis die gewünschte Solltemperatur wie-

der erreicht ist.

Der prinzipielle Unterschied zwischen Steuerung und Regelung kann

am Beispiel einer Aussenluft-/Umluftmischung gezeigt werden.

Fig. 7-6 zeigt links die Steuerung des Aussenluftanteils durch die

Aussenlufttemperatur. Jede Aussenlufttemperatur, die vom Fühler (1)

gemessen wird, entspricht einer bestimmten Klappenstellung, die vom

Steuergerät (2) befohlen wird. Die Mischlufttemperatur stellt sich ent-

sprechend ein, wird aber dem Steuergerät nicht zurückgemeldet.

Fig. 7-6 Steuerung der Mischlufttemperatur (links) und Regelung der Mischtemperatur

(rechts)

1 Aussentemperaturfühler w Mischtemperatur-Sollwert

2 Steuergerät x Mischtemperatur-Istwert

3 Mischtemperaturfühler y Stellgrösse

4 Regler

Vergleich Steuerung – Regelung

201

Fig. 7-6 zeigt rechts die gleiche Aussenluft-/Umluftmischeinrichtung als

Regelkreis. Am Regler (4) wird der Sollwert w der Mischlufttemperatur

eingestellt. Der Messwert x des Fühlers (3) wird am Reglereingang mit

dem Sollwert w verglichen und bei einer Abweichung wird die Klappen-

stellung durch den Regler verändert, bis die Mischlufttemperatur dem

eingestellten Sollwert entspricht.

Bei der im Wohnungsbau am meisten eingesetzten Heizungsregelung,

der aussentemperaturgeführten Vorlauftemperatur-Regelung, handelt es

sich um eine Kombination von Steuerung und Regelung. Fig. 7-7 zeigt

das Prinzipschema dieser Kombination.

Fig. 7-7 Aussentemperaturgeführte Vorlauftemperatur-Regelung

1 Aussentemperaturfühler 4 Mischventil

2 Steuergerät mit Heizkurve x Vorlauftemperatur

(gibt Sollwert w an Regler [3]) z Störgrösse (z.B. sich ändernde

3 Regler Kesselwassertemperatur)

Der Aussentemperaturfühler (1) sendet sein Messsignal dem Steuer-

gerät (2). Das Steuergerät berechnet aufgrund der eingestellten Heiz-

kurve, welche Warmwasser-Vorlauftemperatur nötig ist, um bei der

momentanen Aussentemperatur eine minimale Raumtemperatur von

beispielsweise 20 °C zu erreichen und sendet den entsprechenden

Sollwert dem Vorlauftemperatur-Regler (3). Es stellt sich dann eine

Raumtemperatur von mindestens 20 °C ein, die jedoch von keinem

Fühler mehr gemessen und von keinem Regler mehr korrigiert wird. Die

Raumtemperatur kann sich durch Sonneneinstrahlung, elektrische Gerä-

te oder mehrere Personen höher, oder durch offene Fenster tiefer als

der vom Steuergerät berechnete Wert einstellen. Es handelt sich hier

also um eine Raumtemperatur-Steuerung.

Wie schon erklärt, berechnet das Steuergerät (2) den Sollwert w für

den Vorlauftemperatur-Regler (3). Der Regler vergleicht den gemesse-

nen Vorlauftemperatur-Istwert x mit dem Sollwert w und berechnet auf-

grund der Differenz (x–w) das Stellsignal y, wodurch der Stellantrieb (4)

das Mischventil so einstellt, dass die Vorlauftemperatur dem Sollwert

entspricht. Weil die Vorlauftemperatur dauernd gemessen und der

Messwert dem Regler zurückgesandt wird, handelt es sich hier um

einen geschlossenen Wirkkreis und deshalb um eine Vorlauftemperatur-

Regelung.

ϑR

1

ϑAu

3 2w

y

4 x

z

Beispiel:

Steuerung und Regelung

einer Heizungsanlage

Steuerung

Regelung

202

Stelle, wo der Fühler platziert ist, d.h. wo die Regelgrösse gemessen

wird.

Gerät, das den Wert der Regelgrösse erfasst.

Der momentan vom Fühler gemessene Wert der Regelgrösse x.

Diejenige physikalische Grösse, die in der Regelstrecke erfasst und

auf einem gewünschten Betrag oder Wert gehalten werden soll, d.h.

geregelt wird (Temperatur, Feuchtigkeit usw.). Sie ist die Ausgangs-

grösse der Strecke und die Eingangsgrösse des Reglers.

Dem Regelkreis von aussen zugeführte Grösse. Sie bestimmt den

momentanen SolIwert.

Momentan geforderter Wert der Regelgrösse x, der trotz Störgrössen

konstant gehalten werden soll (z.B. Einstellwert des Sollwertgebers).

Von aussen auf den Regelkreis einwirkende Grösse, welche die Regel-

grösse ungewollt beeinflusst (z.B. Fremdwärme, Sonnenstrahlung

usw.).

Differenz zwischen der Führungsgrösse w und der Regelgrösse x, in

Einheiten der Regelgrösse: e = w – x

Weiterer üblicher Begriff für die Regeldifferenz: Regelabweichung

Sie bezweckt, eine physikalische Grösse (Regelgrösse x) auf einen vor-

geschriebenen Wert (Führungsgrösse w) zu bringen und unabhängig

von allen störenden Einflüssen auf diesem Wert zu halten. Dazu muss

die Regelgrösse x fortlaufend erfasst und durch Vergleich mit der Füh-

rungsgrösse w im Sinne einer Angleichung an diese beeinflusst wer-

den.

Vorgang, bei dem die zu regelnde Grösse (Regelgrösse) fortlaufend

erfasst, mit der Führungsgrösse verglichen und – abhängig vom Ergeb-

nis dieses Vergleichs – im Sinne einer Angleichung an die Führungs-

grösse beeinflusst wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf fin-

det in einem geschlossenen Kreis – dem Regelkreis – statt.

Gesamte Einrichtung, die den Regelungsvorgang an der Strecke

bewirkt, d.h. die Differenz zwischen dem Istwert und Sollwert der

Regelgrösse erfasst und danach das Stellglied in entsprechender Weise

betätigt, um die Abweichung zu eliminieren.

– Eingangsgrösse: Regelgrösse x

– Ausgangsgrösse: Stellgrösse y

Durch den Regler verstellbare Grösse, welche ihrerseits den Wert der

Regelgrösse gewollt beeinflusst (z.B. Hub des Ventils). Zugleich Aus-

gangsgrösse des Reglers und Eingangsgrösse der Strecke.

Dieses verstellt das Stellglied entsprechend dem Ausgangssignal des

Reglers in der ihm zugeordneten Bewegungsrichtung (z.B. Elektro-

motor, Elektromagnet).

7.4.1 Fachbegriffe Regeln

(nach DIN 19226)

Messort

Fühler

Istwert xi

Regelgrösse x

Führungsgrösse w

Sollwert xs

Störgrösse z

Regeldifferenz e

Regelung

Regeln

Regler

Stellgrösse y

Stellgerät, Stellorgan

203

Dieses verstellt das Stellglied entsprechend dem Ausgangssignal des

Reglers in der ihm zugeordneten Bewegungsrichtung (z.B. Elektro-

motor, Elektromagnet).

Im Regelkreis eingebautes Organ zur Dosierung eines Energie- oder

Mengenstromes (z.B. VentiI).

Ort, wo der Energiefluss beeinflusst wird.

Kombination aus Regelstrecke und Regler, mit in sich geschlossenem

Wirkungsablauf.

Die zu regelnde Anlage, d.h. derjenige Teil des Regelkreises, in der die

Regelgrösse x durch den Regler gegen unbeabsichtigte Störeinflüsse

konstant gehalten werden soll. Sie beginnt am Stellort (wo das Stell-

glied eingreift) und endet am Messort (wo die Regelgrösse gemessen

wird), d.h. sie besteht aus Stellglied, den Anlageteilen (z.B. Leitungen,

Wärmetauscher, Raum, usw.) und dem Fühler.

– Eingangsgrösse: Stellgrösse y

– Ausgangsgrösse: Regelgrösse x

Einrichtung zur aufgabenmässigen Beeinflussung der Regelstrecke. Sie

beginnt am Messort und endet am Stellort. Sie besteht aus Regler und

Stellantrieb.

Unter dem Begriff Gebäudeautomation versteht man die zentrale

Betriebsführung, Überwachung und Optimierung der Gebäudetechnik

durch ein rechnerunterstütztes Gebäudeautomations-System. Solche

Gebäudeautomations-Systeme werden in grossen Bürogebäuden, Ein-

kaufszentren, Spitälern, Bahnhöfen, Flughäfen etc. installiert, wo sich

komplexe gebäudetechnische Anlagen gegenseitig beeinflussen und

dadurch Möglichkeiten zur Betriebs- und Energieoptimierung bieten

(Fig. 7-8). Moderne Gebäudeautomations-Systeme greifen dabei auch in

die Mess-, Steuer- und Regeltechnik (MSR-Technik) dieser Anlagen ein.

Dabei werden anspruchsvolle Steuer- und Regelfunktionen mit frei pro-

grammierbarer Digitaltechnik (DDC = Direct Digital Control) realisiert.

Fig. 7-8 Gebäude mit verschiedenen technischen Einrichtungen (Aufzüge, Licht-, Sanitär-,

Kälte-, Lüftungs-, Klimaanlagen, Sicherheits- und Alarmsysteme usw.), die durch

Gebäudeautomations-Systeme koordiniert und optimal betrieben werden.

Stellantrieb

Stellglied

Stellort

Regelkreis

Regelstrecke

Regeleinrichtung

7.5 Gebäudeautomation

204

Die Hardware eines Gebäudeautomations-Systems ist hierarchisch

strukturiert und es werden mindestens die folgenden 3 Ebenen unter-

schieden:

• Managementebene

• Automationsebene

• Feldebene

Fig. 7-9 Hierarchische Struktur eines Gebäudeautomationssystems

1 Managementebene 3 Feldebene

2 Automationsebene

Die Managementebene mit dem Zentralrechner und den erforderlichen

Ein- und Ausgabegeräten zum Bedienen und Überwachen wie PC-

Bedienstationen für aktualisierte Anlagenbilder, Protokoll- und Grafik-

drucker.

Die Managementebene führt, überwacht und koordiniert die unterge-

ordneten Ebenen und übernimmt dabei Funktionen wie:

• Schalten von Anlagengruppen nach Zeitprogramm

• Ausgeben von Betriebs-, Stör- und Alarmmeldungen

• systemübergreifendes Optimieren des Energieverbrauchs

• Analysieren und Visualisieren von Mess- und Betriebsdaten

Dieses sogenannte Dataprocessing liefert beispielsweise Energiever-

brauchszahlen, Störungsstatistiken oder Informationen für das Instand-

haltungs-Management.

1 2 3

Managementebene

205

Die Automationsebene zur Steuerung, Regelung und Überwachung der

haus- bzw. gebäudetechnischen Anlagen, die weitgehend autonom

arbeitet, so dass nach Ausfall der Managementebene diese Anlagen

störungsfrei weiterbetrieben werden können.

Systemübergreifende Optimierungsfunktionen sind aber in einem sol-

chen Falle nicht mehr wirksam. Die Hardware der Automationsebene

wird meist in den Schaltschrank der betreffenden Anlage platziert und

verfügt über mehr oder weniger komfortable Handbedienelemente.

Modular konzipierte Ein-/Ausgabegeräte (I/O-Module) bilden die Kom-

munikationsschnittstelle zwischen den Prozessrechnern der Automa-

tionsebene und den Mess-, Stell- und Meldegeräten in den Anlagen.

Die Input/Output (I/O)-Signale werden von den Prozessrechnern verar-

beitet und nur im Bedarfsfall an die Managementebene übermittelt.

Binäre Signale (Ein/Aus, 1/0, High/Low) können direkt verarbeitet,

analoge Signale (El. Widerstand, Spannung, Strom oder Druck) müssen

zuerst durch sogenannte A/D-Wandler in digitale Signale umgewandelt

werden.

Die Automationsebene übernimmt dabei Funktionen wie:

• Messen, Steuern, Regeln

• Schalten, Melden, Zählen

• Optimieren

• Überwachen

• Bedienen

Die Feldebene mit den Mess-, Stell-, Schalt- und Meldegeräten der

haustechnischen Anlagen, sowie den Einzelraum- oder Zonenregel-

kreisen. In den haustechnischen Anlagen werden über Sensoren

aktuelle Betriebszustände erfasst und über Aktoren Betriebszustände

verändert. Konkret handelt es sich dabei um:

• die Erfassung von Messwerten wie Temperatur, Druck, Volumen-

strom, Feuchtigkeit oder Zählimpulse (Sensoren)

• das Schalten der Motoren und elektrischen Heizregistern (Aktoren)

• die Rückmeldung der Schalterstellungen der Überwachungsgeräte

(Sensoren)

• das Stellen der Ventil- und Klappenantriebe (Aktoren)

Zur Feldebene gehören auch die haustechnischen Einrichtungen in den

Räumen. Hier werden individuelle Raum- bzw. Zonentemperaturen

geregelt durch direkten Stellzugriff der Regler auf

– Radiatorventile

– Heiz- und Kühlwasserventile in Fan-Coil- oder Induktionsgeräten

– Volumenstrom-Regler in VVS-Systemen

– Mischklappen in Zweikanal-Mischboxen

– …

Das Gebäudeautomations-System kann an hunderten von Regelkreisen

Sollwerte ferneinstellen oder Stellgrössen abfragen und daraus –

zwecks Lastführung der Wärme- und Kälteerzeuger – den gesamten

Lastzustand der HLK-Anlagen ermitteln.

Der Datenaustausch innerhalb des Leitsystems erfolgt über den

systemspezifischen Datenbus, wobei je nach Systemgrösse, erforder-

licher Übertragungsgeschwindigkeit, Ausbaubarkeit oder Betriebs-

sicherheit, unterschiedliche Strukturen gewählt werden wie Linien-,

Stern-, Ring- oder Baumstrukturen.

Automationsebene

Feldebene

206

Für den Datenaustausch gelten dabei die folgenden Grundsätze:

– der Datenaustausch kann horizontal (innerhalb der Ebene) oder

vertikal (zwischen den Ebenen) erfolgen

– jede Ebene arbeitet mit den ihr zugewiesenen Daten

– Daten, die an höhere Ebenen übermittelt werden, sind vorher auf

die Wesentlichen zu reduzieren bzw. zu verdichten

Werden diese Grundsätze konsequent befolgt, wird vermieden, dass

eine Ebene mit Daten einer anderen überlastet wird, was zwangsläufig

zu längeren Verarbeitungs- und Reaktionszeiten führen würde.

Anforderungen an Bussysteme in der Gebäudeautomation:

• Übertragung von einfachen Ereignissen bis zu komplexen Daten-

strukturen

• Integration gleicher und verschiedener Gewerke auf der Ebene mit

grösstem Nutzen

• Aufschaltung auf bestehende Infrastruktur (LAN, WAN) des Kunden

• zentrale Bedienung und Überwachung, jedoch mit örtlicher

Flexibilität

• Reduktion der Installations- und Wartungskosten

• Fernüberwachung (Wählleitungen ins Netzwerk integriert)

• Effiziente Vernetzung einer grossen Anzahl Stationen über weite

Distanzen

• Flexibilität in der Installationstechnik

• …

Diese Anforderungen können nur mit standardisierten Bussystemen

erfüllt werden. Um alle «Anforderungen abzudecken, braucht es mehre-

re Bussysteme.

Die Datenübetragungs- und Kommunikationssysteme sind heute

genormt. Die nachfolgende Übersicht zeigt den Status der Standardi-

sierung in Europa (CEN TC 247).

Protokoll Norm

BACnet ISO 16484-5

LonTalk® EN 14908-x

KNX EN 50090-x

EN 13321-x

ISO/IEC 14543-3

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208

Der Inhalt dieser Broschüre ist ein Auszug aus dem Trainingmodul«BO1HV – Einführung in die HLK- und Gebäudetechnik» erstellt bei:Siemens Building TechnologiesBuilding AutomationSales and Application TrainingGubelstrasse 22CH-6301 Zug

• Recknagel Sprenger Schramek «Taschenbuch für Heizung + Klima-technik»

• «Handbuch der Klimatechnik» C.F. Müller Verlag• Fachartikel «Die Ventilator-Kennlinie» Ing. Josef Lexis• Buderus «Handbuch für Heizungstechnik»• «Impulsprogramm Haustechnik» Bundesamt für Kulturfragen,

CH-Bern

Quellennachweis

Weitere technische Broschüren ASN-No. Titel

0-91899-de Das h, x-Diagramm

0-91899-en The psychrometric chart

0-91900-de Gebäudeautomation – Begriffe, Abkürzungen

und Definitionen

0-91900-en Building automation

0-91910-de Messtechnik

0-91910-en Measuring technology

0-91911-de Regeln und Steuern von Heizungsanlagen

0-91911-en Control of heating plants

0-91912-de Regeln und Steuern von Lüftungs-/Klimaanlagen

0-91912-en Control of ventilation and air conditioning plants

0-91913-de Regeltechnik

0-91913-en Control technology

0-91914-de Kältetechnik

0-91914-en Refrigeration technology

0-91915-de Wärmerückgewinnung im Kältekreislauf

0-91915-en Heat recovery in the refrigeration

0-91916-de Einführung in die HLK- und Gebäudetechnik

0-91916-en Introduction to building technology

0-91917-de Hydraulik in der Gebäudetechnik

0-91917-en Hydraulics in building systems

0-91918-de Stetige Leistungsregelung im Kältekreislauf

0-91918-en Modulating capacity control in the refrigeration cycle

Quellenangabe

Weitere Quellen

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210

Building Technologies swww.siemens.com/buildingtechnologies

Einführung in die HLK- und Gebäudetechnik

Siemens Schweiz AGBuilding Technologies GroupInternational HeadquartersGubelstraße 22CH-6301 ZugTel. +41 41 724 24 24Fax +41 41 724 35 22

Siemens Building TechnologiesGmbH & Co. oHGFriesstraße 20DE-60388 Frankfurt/MainTel. +49 69 797 81 00 0Fax +49 69 797 81 59 0

Siemens Schweiz AGBuilding TechnologiesSennweidstraße 47CH-6312 SteinhausenTel. +41 585 579 200Fax +41 585 579 230

Siemens AG ÖsterreichBuilding TechnologiesBreitenfurter Straße 148AT-1231 WienTel. +43 517 073 2383Fax +43 517 073 2323

Siemens SA Building Technologies20, rue des PeupliersLU-2328 Luxembourg/HammTél. +352 43 843 900Fax +352 43 843 901

Die Informationen in diesem Dokument enthalten allgemeine Beschreibungen der technischenMöglichkeiten, die im Einzelfall nicht immer vorliegen müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind daher im Einzelfall bei Vertragsschluss festzulegen.

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